Твердость по бринеллю алмаза: Твердость алмаза по роквеллу hrc

alexxlab | 17.04.1980 | 0 | Разное

Содержание

Камень бриллиант – свойства | Физические свойства алмаза

Минерал алмаз по сути представляет собой одну из многочисленных модификаций углерода. Физические свойства алмаза определяются внутренним строением кристалла.

Как и другие минералы, физические свойства алмаза оцениваются по следующим критериям:

Твердость алмаза

По шкале Мооса твердость алмаза является максимальной и равна 10.

Данная общепринятая шкала Мооса дает относительные значения по твердости . Ее показатели говорят о том, что минерал с более высоким числом царапает минерал с более низким.

Следующим после алмаза по твердости в шкале идет корунд со значением 9. Но его абсолютное значение твердости в 150 раз меньше чем у алмаза – что говорит об абсолютном лидерстве алмаза в этом отношении.

Существуют и другие способы определения твердости, но оценка по Моосу (царапание минерала другим минералом-эталоном) оказалась наиболее простой и наименее разрушительной методикой, которая широко используется и в настоящее время.

Твердый — значит не сломать?

Твердость алмаза не одинакова в разных направлениях кристалла. На этом основана распиловка, огранка и шлифовка алмазов. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Одновременно с твердостью, алмаз является достаточно хрупким, что несколько ограничивает его применение. Под воздействием сильного удара алмаз легко раскалывается по плоскостям, параллельным граням правильного октаэдра.

Плотность (удельный вес) алмаза

Удельный вес (плотность) алмаза находятся в промежутке 3,417-3,55 гр/см3. Это достаточно много, и высокая плотность в том числе влияет на прочность данного минерала.

Удельный вес тела есть отношение его веса к весу чистой воды равного объема.

Таким образом, при одинаковых объемах, алмаз весит примерно в 3,52 раза больше чем вода.

Коэффициент преломления и дисперсии алмаза

Характерный блеск и «огонь» ограненных и отполированных алмазов (бриллиантов) обусловлен очень высоким показателем

преломления (от 2,417 до 2,421) и сильной дисперсией (0,0574).

Для справки: светопреломление – это отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду, где свет резко меняет свою скорость. Дисперсия – это различия в показателе преломления в зависимости от цвета (длины волны) применяемого освещения.

Дисперсия является основой внутреннего «огня» алмазов.

Рис.1: Схематичное изображение дисперсии:

Рис.2: Игра «огня» в бриллианте

Алмаз имеет показатель преломления 2,42, что является самым высоким среди всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле. Именно поэтому мы имеем удовольствие наблюдать такие свойства камня бриллиант, как сверкающий, алмазный блеск.

Уникальное сочетание дисперсии с высоким преломлением и твердостью алмаза, позволяющего отполировать его грани без малейших изъянов, составляет именно тот уникальный набор свойств, который позволил занять алмазу вершину в мире драгоценностей.

Другие физические свойства алмазов

Алмаз характеризуется аномально высокой теплопроводностью, которая составляет 900—2300 Вт/(м·К) и является наивысшей среди всех твердых тел. Это свойство позволяет рассматривать алмаз в качестве перспективного полупроводника (конечно, при условии, что будут разработаны достаточно дешевые методы производства синтетических алмазов). Существующие в настоящее время кремниевые полупроводники могут работать до 100°С, в то время как алмазные микросхемы будут работоспособны при гораздо более высоких температурах.

Из прочих свойств можно отметить, что алмаз не растворяется в кислотах и щелочах, является диэлектриком, обладает очень низким коэффициентом трения по металлу на воздухе

(0,1) что объясняется образованием на поверхности алмаза тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Под действием дневного света и особенно ультарфиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться голубым, желтым и зеленым цветом, под действием катодных лучей проявляется люминесценция бледно-голубым цветом, под действием рентгеновских лучей – синеватым. Алмазы обладают свойством прилипать к некоторым жировым смесям. Это свойство широко используется для извлечения алмазов на обогатительных фабриках.

Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C при давлении 11 ГПа. На воздухе алмаз начинает горение при 850°C. В струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в углекислый газ. Нагревание алмаза без доступа воздуха приводит к его частичному переходу в графит при температурах выше 1500°С. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут.

ВСЕ КАМНИ — КАТАЛОГ | АЛМАЗЫ (БРИЛЛИАНТЫ) — КАТАЛОГ

Поделитесь статьей с друзьями

Работы дизайнеров из каталога ЮВЕЛИРУМ

Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле – FEA.RU | CompMechLab

Алмаз до сих пор остается эталоном твёрдости и используется в различных методиках измерения механической твёрдости материалов (методы Роквелла, Виккерса, Мооса). Но существуют материалы, не только сравнимые по твердости с алмазом, но и превосходящие его по этой характеристике.

В статье журнала «Популярная механика» для сравнения материалов приведена их микротвёрдость по Виккерсу. Сверхтвёрдыми считаются материалы, твёрдость которых превышает 40 ГПа. Для «эталонного» алмаза этот показатель может колебаться в пределах 70 -150 ГПа в зависимости от его чистоты и метода получения (как правило, приводится величина твёрдости алмаза 115 ГПа). То же самое относится и к другим материалам: их твёрдость меняется в зависимости от условий синтеза образца, а иногда варьируется и в зависимости от направления приложенной к нему нагрузки.

1. Фуллерит (до 310 ГПа)

Полимеризованный фуллерит – самое твёрдое вещество, известное науке на данный момент. Он представляет собой молекулярный кристалл — структуру, в узлах которой находятся не отдельные атомы, а целые молекулы (фуллерены — одна из аллотропных модификаций углерода, по форме напоминающая футбольные мячики). Фуллерит оставляет царапины на алмазной поверхности, как на пластмассе.

2. Лонсдейлит (до 152 ГПа)

Предсказание существования лонсдейлита практически совпало по времени с его обнаружением в природе. Эта аллотропная модификация углерода, во многом похожая на алмаз, была найдена в метеоритном кратере. Но природный лонсдейлит, который, вероятно, образовался из графита, входившего в состав метеорита, не отличался рекордной твёрдостью. Лишь в 2009 году ученые доказали, что в отсутствии примесей лонсдейлит может быть твёрже алмаза. Высокую твёрдость ему придает примерно тот же механизм, который действует в случае вюртцитного нитрида бора.

3. Вюртцитный нитрид бора (до 114 ГПа)

Нитрид бора с вюртцитной (плотной гексагональной) кристаллической структурой твёрже, чем кажется: в момент приложения нагрузки он претерпевает локальные структурные модификации, межатомные связи в его решетке перераспределяются, и твёрдость материала вырастает на 78%.

4. Наноструктурированный кубонит (до 108 ГПа)

Кубический нитрид бора был впервые получен в 1957 году Робертом Венторфом (Robert H. Wentorf Jr.) для компании General Electric. В 1969 году компания зарегистрировала торговую марку «Боразон» для кристалла.

В СССР кубический нитрид бора был впервые синтезирован в Институте физики высоких давлений Академии наук под руководством академика Л. Ф. Верещагина. С 1965 года эльбор синтезировался в промышленных масштабах по технологии Абразивного завода «Ильич» (Ленинград).

Уникальные свойства кубонита (также известного под названиями эльбора, боразона и кингсонгита) широко используются в промышленности. Твёрдость кубонита (кубической модификации нитрида бора) близка к алмазной и составляет 80−90 ГПа. В силу закона Холла-Петча, уменьшение размера кристаллических зерен ведет к увеличению твёрдости, и ученые доказали, что наноструктурирование кубонита способно увеличить его твёрдость до 108 ГПа.

5. Нитрид углерода-бора (до 76 ГПа)

Атомы азота, углерода и бора близки по размерам. Углерод и бор образуют схожие кристаллические структуры, отличающиеся высокой твёрдостью. Ученые предпринимают попытки синтезировать сверхтвёрдые материалы, состоящие из атомов всех трех типов — и не безуспешно: например, кубическая модификация BC₂N демонстрирует твёрдость 76 Гпа.

6. Карбид бора (до 72 ГПа)

Карбид бора — распространенный в современной промышленности материал — был получен еще в позапрошлом веке. Его микротвёрдость (49 ГПа) может быть значительно повышена введением в кристаллическую решетку ионов аргона — до 72 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний (до 70 ГПа)

Сплавы на основе системы бор-углерод-кремний чрезвычайно устойчивы к химическому воздействию и высокой температуры, они отличаются высокой микротвёрдостью, достигающей 70 ГПа (для B

4C-B₄Si)

8. Борид магния-алюминия (до 51 ГПа)

Сплав бора, магния и алюминия известен своим низким коэффициентом трения скольжения (если бы этот материал не был так дорог, его можно было бы использовать для изготовления машин и механизмов, работающих без смазки) и высокой твёрдостью. Тонкие пленки AlMgB₁₄, полученные методомимпульсного лазерного напыления, демонстрируют микротвёрдость до 51 ГПа.

9. Диборид рения (до 48 ГПа)

Механические свойства соединения бора и рения весьма необычны: из-за послойного чередования различных атомов диборид рения анизотропен, т. е.при измерении твёрдости по различным кристаллографическим плоскостям получаются разные значения. При испытаниях под малой нагрузкой диборид рения демонстрирует твёрдость 48 ГПа, однако при увеличении нагрузки значение твёрдости резко падает, устанавливаясь на уровне примерно 22 ГПа. Поэтому некоторые исследователи сомневаются, нужно ли причислять диборид рения к сверхтвёрдым материалам.

10. Монокристаллический субоксид бора (до 45 ГПа)

Субоксид бора, содержащий «недостаточное» количество атомов кислорода, явно демонстрирует свойства керамических материалов: высокую прочность, химическую инертность, устойчивость к истиранию при относительно невысокой плотности. Субоксид бора способен образовывать зерна в форме икосаэдров, которые не являются ни отдельными кристаллами, ни квазикристаллами — это кристаллы-двойники, стоящие из 20 «сросшихся» кристаллов-тетраэдров. Твёрдость монокристаллов субоксида бора составляет 45 ГПа.

Таблица перевода различных величин чисел твердости для сталей. Алмазная пирамида по Роквеллу, по Викерсу, По Бринеллю, Твердость по Роквеллу, Поверхностная твердость по Роквеллу, Склероскоп Шора. Различные методы измерения твердости, нагрузки и шкалы.

Алмазная пирамида по Роквеллу. Rockwell C-Scal eHardness Number	Алмазная пирамида по Викерсу. Diamond Pyramid Hardness Number Vickers	По Бринеллю шарик 10 мм, 3000 кгс. / Brinell Hardness Number 10-mm Ball, 3000-kgf Load			Твердость по Роквеллу / Rockwell Hardness Number		Поверхностная твердость по Роквеллу / Rockwell Superficial Hardness Number Superficial Diamond Indenter			Склероскоп Шора / Shore Scleroscope Hardness Number
		Стандартный шарик / Standard Ball	Шарик Холтгрина / Hultgren Ball	Шарик из карбида вольфрама/ Tungsten Carbide Ball	Шкала А, 60 кгс нагрузки, Алмазный индентер / A-Scale 60-kgf Load Diamond Indenter	Шкала D, 100 кгс нагрузки, Алмазный индентер / D-Scale 100-kgf Load Diamond Indenter	Шкала 15-N Scale 15-kgf (кгс) Load	Шкала 30-N Scale 30kgf (кгс) Load	Шкала 45-N Scale Нагрузка 45-kgf (кгс) Load	Склероскоп Шора / Shore Scleroscope Hardness Number
68	940	…	…	…	85.6	76.9	93.2	84.4	75.4	97
67	900	…	…	…	85.0	76.1	92.9	83.6	74.2	95
66	865	…	…	…	84.5	75.4	92.5	82.8	73.3	92
65	832	…	…	(739)	83.9	74.5	92.2	81.9	72.0	91
64	800	…	…	(722)	83.4	73.8	91.8	81.1	71.0	88
63	772	…	…	(705)	82.8	73.0	91.4	80.1	69.9	87
62	746	…	…	(688)	82.3	72.2	91.1	79.3	68.8	85
61	720	…	…	(670)	81.8	71.5	90.7	78.4	67.7	83
60	697	…	(613)	(654)	81.2	70.7	90.2	77.5	66.6	81
59	674	…	(599)	(634)	80.7	69.9	89.8	76.6	65.5	80
58	653	…	(587)	615	80.1	69.2	89.3	75.7	64.3	78
57	633	…	(575)	595	79.6	68.5	88.9	74.8	63.2	76
56	613	…	(561)	577	79.0	67.7	88.3	73.9	62.0	75
55	595	…	(546)	560	78.5	66.9	87.9	73.0	60.9	74
54	577	…	(534)	543	78.0	66.1	87.4	72.0	59.8	72
53	560	…	(519)	525	77.4	65.4	86.9	71.2	58.6	71
52	544	(500)	(508)	512	76.8	64.6	86.4	70.2	57.4	69
51	528	(487)	(494)	496	76.3	63.8	85.9	69.4	56.1	68
50	513	(475)	(481)	481	75.9	63.1	85.5	68.5	55.0	67
49	498	(464)	(469)	469	75.2	62.1	85.0	67.6	53.8	66
48	484	(451)	(455)	455	74.7	61.4	84.5	66.7	52.5	64
47	471	442	443	443	74.1	60.8	83.9	65.8	51.4	63
46	458	432	432	432	73.6	60.0	83.5	64.8	50.3	62
45	446	421	421	421	73.1	59.2	83.0	64.0	49.0	60
44	434	409	409	409	72.5	58.5	82.5	63.1	47.8	58
Алмазная пирамида по Роквеллу. Rockwell C-Scal eHardness Number	Алмазная пирамида по Викерсу. Diamond Pyramid Hardness Number Vickers	По Бринеллю шарик 10 мм, 3000 кгс. / Brinell Hardness Number 10-mm Ball, 3000-kgf Load			Твердость по Роквеллу / Rockwell Hardness Number		Поверхностная твердость по Роквеллу / Rockwell Superficial Hardness Number Superficial Diamond Indenter			Склероскоп Шора / Shore Scleroscope Hardness Number
		Стандартный шарик / Standard Ball	Шарик Холтгрина / Hultgren Ball	Шарик из карбида вольфрама/ Tungsten Carbide Ball	Шкала А, 60 кгс нагрузки, Алмазный индентер / A-Scale 60-kgf Load Diamond Indenter	Шкала D, 100 кгс нагрузки, Алмазный индентер / D-Scale 100-kgf Load Diamond Indenter	Шкала 15-N Scale 15-kgf (кгс) Load	Шкала 30-N Scale 30kgf (кгс) Load	Шкала 45-N Scale Нагрузка 45-kgf (кгс) Load	Склероскоп Шора / Shore Scleroscope Hardness Number
43	423	400	400	400	72.0	57.7	82.0	62.2	46.7	57
42	412	390	390	390	71.5	56.9	81.5	61.3	45.5	56
41	402	381	381	381	70.9	56.2	80.9	60.4	44.3	55
40	392	371	371	371	70.4	55.4	80.4	59.5	43.1	54
39	382	362	362	362	69.9	54.6	79.9	58.6	41.9	52
38	372	353	353	353	69.4	53.8	79.4	57.7	40.8	51
37	363	344	344	344	68.9	53.1	78.8	56.8	39.6	50
36	354	336	336	336	68.4	52.3	78.3	55.9	38.4	49
35	345	327	327	327	67.9	51.5	77.7	55.0	37.2	48
34	336	319	319	319	67.4	50.8	77.2	54.2	36.1	47
33	327	311	311	311	66.8	50.0	76.6	53.3	34.9	46
32	318	301	301	301	66.3	49.2	76.1	52.1	33.7	44
31	310	294	294	294	65.8	48.4	75.6	51.3	32.5	43
30	302	286	286	286	65.3	47.7	75.0	50.4	31.3	42
29	294	279	279	279	64.7	47.0	74.5	49.5	30.1	41
28	286	271	271	271	64.3	46.1	73.9	48.6	28.9	41
27	279	264	264	264	63.8	45.2	73.3	47.7	27.8	40
26	272	258	258	258	63.3	44.6	72.8	46.8	26.7	38
25	266	253	253	253	62.8	43.8	72.2	45.9	25.5	38
24	260	247	247	247	62.4	43.1	71.6	45.0	24.3	37
23	254	243	243	243	62.0	42.1	71.0	44.0	23.1	36
22	248	237	237	237	61.5	41.6	70.5	43.2	22.0	35
21	243	231	231	231	61.0	40.9	69.9	42.3	20.7	35
20	238	226	226	226	60.5	40.1	69.4	41.5	19.6	34
Алмазная пирамида по Роквеллу. Rockwell C-Scal eHardness Number	Алмазная пирамида по Викерсу. Diamond Pyramid Hardness Number Vickers	По Бринеллю шарик 10 мм, 3000 кгс. / Brinell Hardness Number 10-mm Ball, 3000-kgf Load			Твердость по Роквеллу / Rockwell Hardness Number		Поверхностная твердость по Роквеллу / Rockwell Superficial Hardness Number Superficial Diamond Indenter			Склероскоп Шора / Shore Scleroscope Hardness Number
		Стандартный шарик / Standard Ball	Шарик Холтгрина / Hultgren Ball	Шарик из карбида вольфрама/ Tungsten Carbide Ball	Шкала А, 60 кгс нагрузки, Алмазный индентер / A-Scale 60-kgf Load Diamond Indenter	Шкала D, 100 кгс нагрузки, Алмазный индентер / D-Scale 100-kgf Load Diamond Indenter	Шкала 15-N Scale 15-kgf (кгс) Load	Шкала 30-N Scale 30kgf (кгс) Load	Шкала 45-N Scale Нагрузка 45-kgf (кгс) Load	Склероскоп Шора / Shore Scleroscope Hardness Number
(18)	230	219	219	219	…	…	…	…	…	33
(16)	222	212	212	212	…	…	…	…	…	32
(14)	213	203	203	203	…	…	…	…	…	31
(12)	204	194	194	194	…	…	…	…	…	29
(10)	196	187	187	187	…	…	…	…	…	28
(8)	188	179	179	179	…	…	…	…	…	27
(6)	180	171	171	171	…	…	…	…	…	26
(4)	173	165	165	165	…	…	…	…	…	25
(2)	166	158	158	158	…	…	…	…	…	24
(0)	160	152	152	152	…	…	…	…	…	24

твёрдость алмаза – это… Что такое твёрдость алмаза?

твёрдость алмаза: diamond hardness

твёрдость
твёрдость горной породы

Смотреть что такое “твёрдость алмаза” в других словарях:

твёрдость алмаза — (твёрдость по Роквеллу, твёрдость по Виккерсу) [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN diamond hardness … Справочник технического переводчика
Твёрдость по Шору (Метод отскока) — У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод так же является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия
Твёрдость — У этого термина существуют и другие значения, см. Твёрдость (значения). Твёрдость это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела индентора во всем диапазоне нагружения: от момента касания с… … Википедия
ТВЁРДОСТЬ — ТВЁРДОСТЬ, сопротивление твердого тела вдавливанию или царапанию. При вдавливании твердость равна нагрузке, отнесенной к поверхности отпечатка. Вдавливается стальной шарик (Метод Бринелля) или алмазная пирамидка (методы Роквелла и Виккерса).… … Современная энциклопедия
Твёрдость — Твердость ТВЁРДОСТЬ, сопротивление твердого тела вдавливанию или царапанию. При вдавливании твердость равна нагрузке, отнесенной к поверхности отпечатка. Вдавливается стальной шарик (метод Бринелля) или алмазная пирамидка (методы Роквелла и… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
МИКРОТВЁРДОСТЬ — сопротивление пластич. вдавливанию (обычно в плоскую поверхность) твёрдого индентора (обычно пирамиды из алмаза). Отличия испытаний на М. от обычных измерений твёрдости очень малые нагрузки и малые размеры отпечатка. М. позволяет оценивать св ва… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Алмаз — У этого термина существуют и другие значения, см. Алмаз (значения). Алмаз Алмаз в материнской породе Формула C … Википедия
Изумруд — У этого термина существуют и другие значения, см. Изумруд (значения). Запрос «Смарагд» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Изумруд … Википедия
Изумруды — Изумруд Изумруд из Бразилии Формула Be3(Al,Cr)2Si6O18 Сингония Гексагональная Цвет Зелёный, желтоватый Блеск … Википедия
Алмаз — [άδάμας (ΰдамас) первоначальное название стали, позднее алмаза) м л, С. Куб. модиф. К лы октаэдрические, куб. и тетраэдрические. Дв. прорастания по {111}; параллельные сростки. Сп. сов. по {111}. Тв. 10. Уд. в.… … Геологическая энциклопедия
Алмаз — минерал, кристаллическая модификация чистого углерода (С). А. обладает самой большой из всех известных в природе материалов твёрдостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности. Известны три… … Большая советская энциклопедия

Твёрдость | Архитектура и Проектирование

Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Например, по шкале МООСа все природные минералы делятся на 10 групп по твёрдости.

Шкала Мооса

Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) — набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твёрдости. Предложена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом

Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10 достаточно распространённым минералам от талька до алмаза. Твёрдость минерала измеряется путём поиска самого твёрдого эталонного минерала, который он может поцарапать; и/или самого мягкого эталонного минерала, который царапает данный минерал. Например, если минерал царапается апатитом, но не флюоритом, то его твёрдость находится в диапазоне от 4 до 5.

Предназначена для грубой сравнительной оценки твёрдости материалов по системе мягче-твёрже. Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона. Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов. Например, корунд (9) в 2 раза твёрже топаза (8), но при этом почти в 4 раза мягче алмаза (10).

В приведённой ниже таблице приведено соответствие твёрдости по шкале Мооса с абсолютной твёрдостью, измеренной склерометром.

Твёрдость	Минерал	Абсолютная твёрдость	Обрабатываемость
1	Тальк (Mg3Si4O10(OH)2)	1	царапается ногтем
2	Гипс (CaSO4·2h3O)	3	царапается ногтем
3	Кальцит (CaCO3)	9	царапается медной монетой
4	Флюорит (CaF2)	21	царапается ножом, оконным стеклом
5	Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-))	48	царапается ножом, оконным стеклом
6	Полевой шпат (KAlSi3O8)	72	царапается напильником
7	Кварц (SiO2)	100	поддаётся обработке алмазом, царапает стекло
8	Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2)	200	поддаётся обработке алмазом, царапает стекло
9	Корунд (Al2O3)	400	поддаётся обработке алмазом, царапает стекло
10	Алмаз (C)	1500

Помимо шкалы Мооса есть и другие методы определения твёрдости, но различные шкалы твёрдости нельзя однозначно соотнести друг с другом. Практикой приняты несколько более точных систем измерения твёрдости материалов, ни одна из которых не покрывает весь спектр шкалы Мооса.

Смотрите в ВИКИПЕДИИ:

Шкала Мооса: определение степени твердости керамической плитки

Одна из основных технических характеристик отделочной керамики – твердость, то есть способность поверхности противостоять внешним механическим воздействиям. Для измерения степени твердости используется шкала Мооса.

Суть метода

Способ определения твердости материалов был разработан в начале XIX столетия немецким геологом Фридрихом Моосом. Ученый предложил определять данный показатель посредством царапания, а в качестве эталонов выбрал десять минералов, расположив их в определенной последовательности – от мягких к твердым. Итак, в шкале Мооса образцы распределены в следующем порядке: на первых строчках тальк, гипс, кальцит, на последних – кварц, топаз, корунд, алмаз. Полный список указан в таблице.

Показатели определены благодаря прибору склерометру, однако их нельзя расценивать как абсолютные и единственно правильные. Есть некоторая погрешность. Но на практике приведенных показателей вполне достаточно, чтобы разобраться, какая плитка (либо керамогранит) подойдет для укладки на том или ином участке.

Всё познается в сравнении

Если твердость покрытия обозначена в виде диапазона 6-7, значит, оно находится между полевым шпатом и кварцем. Если производитель привел единичный показатель, например 3, то это означает, что продукт тверже кальцита, но мягче флюорита.

Проще говоря, при совершении покупки потребителю необходимо знать, что матовая керамическая или керамогранитная плитка по твердости превосходит полированную. В первом случае чаще всего речь идет о 7-9 баллах по Моосу, во втором – о 5-6. Подобное различие объясняется тем, что любая дополнительная обработка (шлифовка, полировка, искусственное состаривание и т.д.) уменьшает величину твердости. Таким образом, матовая текстура более вынослива, устойчива к образованию вмятин, сколов. Поцарапать ее можно только алмазом или корундом. Соответственно, ни тяжелая сантехника, ни массивная мебель ее не продавят. А вот блестящая фактура плит менее практична, поскольку предрасположена к скорому появлению косметических дефектов. Интенсивный трафик в помещении, чугунная сантехника, шкафы на металлических ножках – все эти и другие факторы могут стать причиной трещин, царапин. Поэтому глянцевый кафель рекомендуется укладывать в местах с малым или средним уровнем проходимости.

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!

Твердость по Моосу – Справочник химика 21

Температура размягчения 1500 °С, твердость по Моосу 7 [c.287]

В минералогии твердость определяется по десятибалльной шкале (шкала Мо-оса) путем нанесения царапин на одном минерале другим. Высшая твердость, по Моосу, 10 у алмаза. [c.267]

Твердые рубидий и цезий — одноатомные металлы. При сильном охлаждении кристаллизуются в кубической объемно-центрированной решетке [14] при 5°К значение а соответственно 5,585 и 6,045 A [2, 10, 15]. Температура плавления соответственно 39,0 и 28,5°, температура кипения 705 и 688° [2]. Летучесть их на воздухе значительна давление пара (мм рт. ст.) рубидия — 1 (294°), 100 (519°), 200 (569°), 400 (628°), 760 (705°), цезия 1 (278°), 100 (515°), 200 (570°), 400 (635°), 760 (688°) [10]. Оба весьма пластичные металлы твердость по Моосу соответственно 0,3 и 0,2 [10]. Их пары зеленовато-синие. Данных о составе пара нет. [c.84]

Твердость по Моосу 10 (алмаз) 1 (граф.) 7 i [c.355]

По твердости Б. занимает второе (после алмаза) место среди всех в-в твердость по Моосу 9,3, по Виккерсу 274,4 ГПа, по Кнупу 2460 микротвердость 30,4 ГПа. Модуль Юнга 282,2 ГПа (для борного волокна 411,6 ГПа) а зг 147 МПа (293 К), 882 МПа (1273 К) (для борного волокна 13,7 ГПа при 1330-1890 К) линейный коэф. сжимаемости 1,8-10 (303 К), объемный З-Ю (293 К). Б. очень хрупок, в пластич. состояние переходит выше 2000 °С, [c.299]

Твердость по Моосу 2,5, по Бринеллю 89 МПа [c.379]

М. мягкий, ковкий металл твердость по Моосу 3,0 твердость по Бринеллю 370-420 МПа Стр, 220 МПа относит, удлинение 60%, относит, уменьшение поперечного сечения 70% модуль продольной упругости 112 ГПа модуль сдвига 49,25 ГПа коэф. Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом предел прочности М. возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрич. проводимость последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5-10 и/см ) предел текучести М. возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву-в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси В], РЬ вызывают красноломкость М., 3, О2 хладноломкость, примеси Р, Аз, А1, Ре заметно уменьшают электрич. проводимость М. [c.7]

Плотность различных природных разновидностей сподумена колеблется в пределах 2,997—3,295 г/слОптические характеристики [60] Nm = 1,665—1,675, двупреломление умеренное — Л/р = 0,016— [c.185]

Плотность природных образцов петалита находится в пределах 2,3—2,6 см [10], обычно 2,39—2.46 см [30] твердость по Моосу 6—6,5 [30]. Оптические характеристики [17] Л/ = 1,516, Л/ = 1,510, Л/р = 1,504 двупреломление небольшое (A/g —Л/р = 0,012) угол оптических осей 2V = 83°, оптически положительный угол погасания, отвечающий Ng, равен 4—5° [17]. [c.196]

Плотность лепидолита находится в пределах 2,8—3,3 см [17] твердость по Моосу равна 2,5—4,0 [17]. Оптические характеристики зависят от химического состава, для обыкновенного лепидолита [17] Л/ = 1,55—1,57, Л/т= 1,55—1,56, Л/р = 1,53—1,54 двупреломление умеренное (Л/g — Л/р = 0,025—0,028) угол оптических осей сильно меняется, оптически положительный. [c.198]

Плотность циннвальдита находится в пределах 2,9—3,2 г см твердость по Моосу равна 2—3 [40]. Оптические характеристики зависят от состава Ng = 1,58—1,61, Nm = 1,57—1,60, Np = 1,55— 1,58 двупреломление умеренное (Л/ — Л/р = 0,030) угол оптических осей 2V = 35 , оптически отрицательный [17]. [c.199]

Плотность амблигонита находится в пределах 2,98—3,15 г/см (падает с увеличением содержания 0Н ) твердость по Моосу — 6, хрупкий [17]. Оптические свойства находятся в прямой зависимости от содержания фтора. Для чисто фтористых образцов Ng = = 1,598, Мт = 1,593, Мр = 1,578 двупреломление умеренное [c.200]

Плотность карналлита равна 1,60 г см твердость по Моосу [c.210]

Встречается в виде сплошных плотных зернистых масс, белых, желтоватых или красно-бурых блеск стеклянный. Кристаллизуется в моноклинной сингонии. Плотность 2,1 твердость по Моосу 2, [c.211]

Плотность поллуцита 2,86—2,90 г см [40], но встречаются и бо-> лее высокие значения (до 3,03) твердость по Моосу 6—7. В порошке под микроскопом поллуцит изотропен (в Ыа-свете показа тель преломления равен 1,506—1,524) при прокаливании теряет воду и становится непрозрачным [40], причем дегидратация приво-> дит к уменьшению показателя преломления. [c.217]

Твердость (по Моосу) Хрупкие Нехрупкие Ковкие и упругие [c.14]

Литий — весьма пластичный и вязкий металл, хорошо обрабатывается прессованием и прокаткой, легко протягивается впроволоку [1], свободно режется ножом. Однако он тверже других щелочных металлов вследствие большой прочности кристаллической решетки, сфврмиро-ванной из атомов с меньшим радиусом твердость по Моосу 0,6 [101. Давление истечения при 15—20° 1,7-10 Н/м [10], модуль упругости [c.7]

Твердость Н есть сопротивление проникновению в данное твердое тело другого тела. В машиностроении она измеряется методом вдавливания в данную поверхность стального шарика (Яб — по Бринеллю) или алмазной пирамиды (Я с по Роквеллу) и может быть измерена также в Н/м (или в кг/мм ). В минералогии твердость определяется по десятибалльной шкале (шкала Мооса) путем нанесения царапин на одном минерале другим. Высшая твердость, по Моосу, 10 у алмаза. [c.240]

ДжДмоль-К), теплопроводность 30,14 ВтДм-К) при 473 К и 5,86 ВтДм К) при 1000 К температурный коэф линейного расширения 4,03-10- К- (300-500 К), 5,64-10″ К” (500-1300 К) р 2- 10 (298 К) и 7-10 Ом-м (870 К) е 8,5. Полупроводник, ширина запрещенной зоны выше 5 эВ, Твердость по Моосу 9, микротвердость 12 ГПа, модуль упругости 350 ГПа (300 К), 280 ГПа (1673 К) [c.118]

Для особо чистого Ж. (скорости деформации 5-10″ с” и размере зерна 1 мм ударная вязкость более 300 Дж/см т-ра перехода в хрупкое состояние — 85 °С для совершенных кристаллов ( усов ) рост ГПа. Твердость по Моосу 4-5. Для отожженного образца относит, удлинение 40-50%, модуль сдвига 76,4-78,4 ГПа, твердость по Бринеллю 588-686 МПа. [c.140]

Теллурид (гемителлурид) АиТс2-кристаллы от латунно-желтого до серебристо-белого цвета с металлич блеском, плотн 9,3 г/см, Д// бр -11 кДж/моль, хрупок, твердость по Моосу 2,5 3 [c.172]

Мягкий ковкий тягучий металл, хорошо вальцуется в листы пегко поддается полированию Палочки К при сгибании издают треск подобно олову Твердость по Моосу 2, по Бринет1ю (для отожженного образца) 200-275 МПа, модуль Юнга 63 ГПа, преде i текучести 9,8 МПа, а 69 МПа, относитепьное удлинение 50% (20°С) [c.280]

С, 22,0 МПа, спайностям твердость по Бринеллю 1500 МПа, твердость по Моосу 3,5. М. диамагнитен, магнийная восприимчивость —5,5-10 обладает металлич. проводимостью р 3,3-10″ Ом-см, температурный коэф. р 3,9-10 K (273-373 К). [c.157]

К (273 К) р8,0-10 Ом-м, текшературный коэф. р 0,6-10 К (298-398 К) пол>т1ровод1шк с дырочной проводимостью, ширина запрещенной зоны 1,8 эВ диамагнитен, магн. восприимчивость —0,469-10 -. Для стекловидного С. р Ю Ом-м. Твердость по Моосу серого С. 2,0, по Бринеллю 750 МПа, модуль нормальной упругости 10,2 ГПа. С. хрупок, вьппе 60 °С становится пластичным. [c.311]

К (273 К) теплопроводность 18,8 ВтДм-К) при 298 К р 0,39 мкОм м (273 К), температурный коэф. р 4,73-10 (273-373 К) т-ра перехода в сверхпрово-догщее состояние 2,7 К диамагнитна, магн. восприимчивость -0,81-10 . Твердость по Моосу 3, по Бринеллю 260 МПа модуль упругости 55,98 ГПа 5 5 МПа, [c.476]

ДжДмоль-К) ур-ния температурной зависимости давления пара lgp(MM рт.ст.) = 9,902 -9511/7 -f0,1471g Г-Ь0,756 х X Ю- Г (298-576 К), lg/)(MM рт.ст.) = 9,819 – 9091/Т-Ь -ЬО,5361gТ (576-1648 К) температурный коэф. линейного расширения 28-10″ К” (293 К) теплопроводность 38,9Вт/(м-К) (293 К) р 0,15-10″ Ом-м, температурный коэф. р 5,177-10″ К” (273 К) т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 2,39 К диамагнитен, к -0,249-10 . Твердость по Моосу 1,3, по Бринеллю 20 МПа модуль нормальной упругости 7,95 ГПа (20 С), 10 МПа относит. удлинение 40% пластичен. [c.491]

УРАНА ОКСЙДЫ UOj, U3O8, и UO3. Д и о к с и д UO2 (минерал уранинит) – черно-коричневые кристаллы (табл.) при 30,44 К происходит фазовый переход парамагнетик- антиферромагнетик начиная с 2000 К наблюдается аномальный рост теплоемкости темперш-урный коэф. линейного расширения 9,З Ю- К (293-373 К), 1,0810 К- (1173-1273 К) твердость по Моосу 6-7 в воде не раств., не взанмод. с Hj, СО, газообразным НС1 с СС , в присут. S2 при 450 °С образует иСЦ в атмосфере О2 при т-ре ниже 250 С образует оксвды состава (л = 0-3,34). Получают UOj [c.44]

Повеллит — наиболее распространенный минерал зоны окисления молибденовых месторождений. Серый. Плотность 4,3, твердость по Моосу 3,5. Кристаллизуется в бипирамидах тетрагональной системы. При облучении ультрафиолетовым излучением люминесцирует. Это может использоваться в анализе и обогащении руд. Цвет люминесценции желтый. Очень хрупок и поэтому переизмельчается при дроблении. Особенно часто встречается в скарновых и медно-молибденовых месторождениях, иногда в виде псевдоморфоз по молибдениту. [c.185]

Молибдо – шеелит — разновидность шеелита, в которой часть атомов W замещена атомами Мо (обычно не выше нескольких процентов). Разности, содержащие до 15% Мо, носят название зейри-гит. Кристаллы молибдо-шеелита, как и повеллита,— тетрагональные бипирамиды. Плотность 5,8—6,2, твердость по Моосу 4,5. Минерал, содержащий более 0,5% W, в ультрафиолетовых лучах люминесцирует желтым цветом. [c.185]

Измерение твердости алмаза

Твердость предмета определяет его устойчивость к травмам в виде царапин, а алмазы – самые твердые из известных веществ. Хотя мы можем думать об алмазах как о хрупких, эта воспринимаемая хрупкость больше связана с мифологизированной редкостью (несмотря на то, что на самом деле это обычный минерал), чем восприимчивостью к поверхностным ударам.

Однако «твердость» вещества не может быть приравнена к «твердости». Сила объекта включает его сопротивление разрушению или разрушению.Ничто, кроме другого алмаза, не может поцарапать или разрезать алмаз, но его умеренная прочность означает, что он все еще может разбиться.

Путаница между твердостью и твердостью алмаза была проверена с помощью молотка. Может ли алмаз расколоться или расколоться при ударе молотком? да. Может ли металлическая поверхность молотка поцарапать алмаз? №

Измерение твердости

Чтобы измерить твердость алмаза или любого минерала, мы используем шкалу, называемую шкалой Мооса, названную в честь ее изобретателя Фридриха Мооса.Этот метод включает в себя тестирование одного минерала, выясняя, может ли другой минерал поцарапать его.

Шкала Мооса – это 10-балльная шкала, где одна – самая мягкая, а 10 – самая жесткая. Алмазы в 10 и 40 раз прочнее, чем минерал в категории 9 (корунд, из которого можно производить рубины и сапфиры).

Шкала Мооса показывает некоторые сюрпризы или неожиданные результаты того, как мы обычно думаем об определенных веществах. Например, пыль, которая может разъедать поверхности, достаточно «тверда», чтобы разрезать стекло.Стекло в научном масштабе на самом деле довольно мягкое.

Шкала Мооса работает на основе сравнений в четырех простых возможностях:

Если первое вещество может поцарапать второе, первое будет тверже.
Если первое вещество не может поцарапать второе, второе будет труднее.
Если два вещества имеют одинаковую твердость, ни одно из них не сможет поцарапать другое.
Если первое вещество можно поцарапать вторым, но нельзя поцарапать третьим, твердость первого вещества находится где-то между вторым и третьим.

Высокое качество

Никакой другой драгоценный камень или минерал не может оставлять отпечатков на алмазе, что делает его устойчивым к царапинам. Структурная сила алмаза отражена в его названиях на разных языках. «Алмаз» происходит от греческого «адамас», что означает «нерушимый». На еще более древнем языке, санскрите, алмаз обозначается словом «vjra», что переводится как «молния». Старое слово несет в себе как качество объекта, так и наше его восприятие.

Твердый алмаз образуется в земной коре за миллиарды лет.Вулканы перемещают алмазы на поверхность, поскольку они находятся внутри вулканической породы (кимберлита).

Хотя алмазные рудники были обнаружены в Африке в 1870-х годах, именно в 1930-х годах компания De Beers начала продавать их как обручальные кольца. Идея, однако, звучит на метафорическом уровне: например, настоящие отношения, бриллиант, что-то, что требует много времени, чтобы сформироваться где-то глубоко, а затем всплыть на поверхность. Алмаз – твердое вещество, не подверженное износу поверхности, но требующее постоянного ухода, чтобы не сломаться.

История испытаний на твердость | Бюлер

Раннее испытание на твердость

Твердость применительно к большинству материалов, и в частности к металлам, является ценным, показательным и широко используемым механическим испытанием, которое применялось в различных формах более 250 лет. Конечно, поскольку свойство материала, его значение и важность нельзя недооценивать, информация, полученная при испытании на твердость, может дополнять и часто использоваться в сочетании с другими методами проверки материала, такими как растяжение или сжатие, для получения важной информации о характеристиках.Насколько важны и полезны испытания материалов и твердости? Учитывайте предоставленную информацию и ее значение для структурной, аэрокосмической, автомобильной промышленности, контроля качества, анализа отказов и многих других форм производства и промышленности. Определение этих свойств материалов дает ценную информацию о долговечности, прочности, гибкости и возможностях различных типов компонентов, от сырья до готовых образцов и готовой продукции. За прошедшие годы были разработаны и успешно применялись различные методы определения твердости материалов.От ранних форм царапин до сложных автоматизированных изображений, испытания на твердость превратились в эффективный, точный и ценный метод испытания материалов.

Несмотря на то, что методы тестирования и оборудование значительно улучшились, особенно в последние годы и в соответствии с быстро развивающимися возможностями электроники, компьютеров, оборудования и программирования, более ранние базовые формы испытаний на твердость, такие как простое испытание на царапину, удовлетворяли потребности в соответствующая эпоха. Некоторые из самых ранних форм тестирования на царапину датируются примерно 1722 годом.Эти испытания были основаны на стержне, твердость которого увеличивалась от конца до конца. Уровень, на котором исследуемый материал мог образовать царапину на стержне, был определяющим фактором твердости образцов. Позже, в 1822 году, были введены формы испытаний на твердость, которые включали царапание поверхностей материала алмазом и измерение ширины полученной линии, испытание, в конечном счете известное как шкала Мооса. В некоторых процессах этот метод до сих пор используется. Шкала Мооса состоит из десяти минералов, отсортированных от самого твердого (10) (алмаз) до самого мягкого (1) (тальк).Каждый минерал может поцарапать те, что ниже по иерархии шкалы. Шкала Мооса не линейна; разница в твердости между 9 и 10 значительно больше, чем между 1 и 2. Чтобы представить себе шкалу Мооса в перспективе, наглядным примером является твердость закаленной инструментальной стали, которая находится на уровне примерно 7 или 8 по шкале. В течение следующих 75 лет были введены другие, более усовершенствованные версии теста на царапание, включая интегрированный микроскоп, столик и алмазные приборы, которые применяли увеличивающуюся нагрузку до 3 граммов.Испытуемый материал царапали при различных вариантах нагрузки, а затем сравнивали со стандартным набором царапин известной величины. В более сложной версии этой системы использовался алмаз, установленный на конце конической стальной пружины. Другой конец пружины был соединен с балансиром с грузом 3 грамма. Испытываемый материал перемещался с помощью колеса и червячной передачи с ручным приводом, наверху которой находился столик и зажимное приспособление для материала. При перемещении материала по материалу прикладывалось фиксированное давление, что приводило к «надрезу» в материале, который затем измеряли под микроскопом с помощью тонкодисперсного окуляра микрометра.Затем для определения твердости использовалась математическая формула, присущая процессу.

Позже была введена твердость типа вдавливания, одна из первых форм, разработанная около 1859 г., была основана на нагрузке, необходимой для создания вмятины 3,5 мм в материале. Глубина была измерена с помощью системы нониусной шкалы, а общая нагрузка, необходимая для достижения 3,5 мм, была названа твердостью. Пенетратор состоял из усеченного конуса, который сужался от 5 мм вверху до 1,25 мм в острие. Этот метод был наиболее эффективен для мягких материалов.Другая ранняя форма испытания на вдавливание заключалась в вдавливании геометрических фигур одного и того же испытательного материала под прямым углом друг в друга и измерении ширины полученного оттиска. В начале 1900-х годов из этой техники развились различные форматы, которые также использовали «взаимное» вдавливание цилиндрического материала для испытаний с продольной осью, прижатой под прямым углом друг к другу.

Испытание на твердость по Бринеллю

Первый широко принятый и стандартизированный тест на твердость при вдавливании был предложен Дж.А. Бринелл в 1900 году. Интерес Бринелля к материаловедению вырос во время его работы в нескольких шведских металлургических компаниях и его желания иметь последовательные и быстрые средства определения твердости материала. Испытание на твердость по Бринеллю, которое все еще широко используется сегодня, состоит из вдавливания металлической поверхности сталью диаметром от 1 до 10 мм или, в последнее время, шариком из карбида вольфрама при тяжелых нагрузках до 3000 кг. Полученный оттиск, диаметр отпечатка, измеряется с помощью микроскопа с малым увеличением после снятия нагрузки.Производится среднее из двух измерений диаметра слепка под прямым углом и математически рассчитывается до значения твердости. Испытание Бринелля, по сути, представило производственную фазу испытания на твердость при вдавливании и открыло путь для дополнительных испытаний на вдавливание, которые в большей степени относились к типам материалов.

Тестер твердости склероскопа

Примерно в то же время, когда развивался тестер по Бринеллю в качестве полезного теста, был представлен твердомер склероскопа как один из первых «немарких» инструментов для определения твердости.Альберт Ф. Шор, основавший компанию Shore Instrument Manufacturing Company в Нью-Йорке, чье имя теперь является синонимом теста на твердость, разработал склероскоп в качестве альтернативного теста на твердость. В склероскопе использовался «молоток» с алмазным наконечником, помещенный в трубку со стеклянным фронтом, которая падала с высоты 10 дюймов на испытуемый образец. Отскок молота измерялся по градуированной шкале единиц «Шор», каждая из которых разделена на 100 частей, что позволяет сравнить отскок, который можно ожидать от закаленной высокоуглеродистой стали.Чтение твердости технически является мерой эластичности материала. Одним из значительных преимуществ склероскопа был его «неразрушающий» характер: в отличие от других доступных в то время методов определения твердости, склероскоп оставил лишь небольшой след на исследуемом материале, по-видимому, оставив его доступным для использования. после оценки.

По мере развития 20-го века, пережившего две мировые войны с одновременным расцветом промышленной революции, возросшие производственные требования и глобальная индустриализация вызвали острую потребность в более совершенных и эффективных методах испытаний, и начали развиваться новые технологии.Точные и эффективные формы тестирования были необходимы в ответ на высокие производственные требования, структурные отказы и необходимость обеспечить достаточную целостность материалов в растущей глобальной инфраструктуре.

Испытание на твердость по Виккерсу

В качестве альтернативы тесту на твердость по Бринеллю в 1924 году двумя джентльменами, Смитом и Сандлендом, из британского инженерного конгломерата Vickers Ltd был разработан тест на твердость по Виккерсу. Тест был разработан в ответ на необходимость более точного теста на ограничения материала, на которые был эффективен Бринелль.В тесте Виккерса используется тот же принцип, что и в тесте по Бринеллю, а именно по регулируемому слепку на материале, но вместо него используется алмаз в форме пирамиды, а не шариковый индентор Бринелля. Это привело к более последовательному и универсальному испытанию на твердость. Позже, в 1939 году, альтернативу тесту Виккерса представил Фредрик Кноп из Национального бюро стандартов США. В испытании Кнупа использовался более мелкий удлиненный формат алмазной пирамиды и он был разработан для использования при меньших испытательных усилиях, чем испытание на твердость по Виккерсу, что позволяет более точно испытывать хрупкие или тонкие материалы.И тесты по Виккерсу, и по Кнупу продолжают оставаться популярными методами анализа твердости сегодня.

Испытание на твердость по Роквеллу

Хотя идея испытания на вдавливание по Роквеллу была задумана в 1908 году венским профессором Полом Людвиком, она не приобрела коммерческого значения примерно до 1914 года, когда братья Стэнли и Хью Роквелл, работавшие в производственной компании в Бристоле, Коннектикут, расширили идею использования испытание конического алмазного вдавливания, основанное на смещении и поданное на патент на конструкцию тестера Роквелла.Основным критерием для этого тестера было предоставление быстрого метода определения влияния термической обработки на стальные дорожки качения подшипников. Одной из основных сильных сторон Rockwell была небольшая площадь, необходимая для вдавливания. Его также намного проще использовать, поскольку показания являются прямыми, без необходимости в вычислениях или вторичных измерениях. Заявка на патент была одобрена 11 февраля 1919 года, а позже, в 1924 году, был выдан патент на более усовершенствованный образец. Одновременно Стэнли Роквелл начал коммерческое производство тестеров Rockwell в сотрудничестве с производителем инструментов Чарльзом Х.Уилсона в Хартфорде, штат Коннектикут. Компания превратилась в Wilson Mechanical Instrument Company и стала известна как производитель тестеров Rockwell премиум-класса. После некоторой смены владельца в конце 1900-х годов компания Wilson была приобретена в 1993 году компанией Instron, мировым лидером в области испытаний материалов, и сегодня стала неотъемлемой частью Instron / Illinois Tool Works. Теперь известная как твердость Уилсона, объединенный опыт Instron / Wilson в сочетании с последующими приобретениями твердости Вольперта и твердости Райхертера привели к разработке и производству передовых систем твердости.Тест Роквелла остается одним из наиболее эффективных и широко используемых типов определения твердости.

Испытания на твердость – сегодня и будущее

В середине и конце 1900-х годов технология испытаний на твердость оставалась довольно последовательной, в большинстве систем обычно использовался метод мертвого веса для приложения испытательных сил. Хотя метод дедвейта довольно прост, надежен и получил широкое распространение, он не лишен некоторых двусмысленностей. Трудоемкое производство в сочетании со сложностями, связанными с высокомеханической системой, зависящей от рычагов, шарниров и направляющих, привело к необходимости дальнейшего развития, и стало очевидным, что другие недавно разработанные формы регулирования силы, используемые в измерительных приборах, могут быть применены для испытаний на твердость. также.С повышением требований к производительности, точности, пользовательским функциям и замкнутому контуру повторяемости технология весовых датчиков стала важным фактором при проведении испытаний на твердость. В 1950-х годах компания Instron в Массачусетсе впервые применила замкнутые системы в приборах для испытаний на растяжение. Системы с замкнутым контуром отличаются от систем с разомкнутым контуром (дедвейтом) тем, что у них есть средства для электронного измерения силы, прикладываемой во время каждого испытания, и передачи (или контура) информации обратно в систему управления. Система управления спроектирована так, чтобы использовать обратную связь для настройки механизма приложения силы для приложения с очень точной скоростью желаемой силы.Эти системы работают настолько хорошо, что сегодня все электронные приборы для растяжения / сжатия используют исключительно управление с обратной связью. Благодаря объединению Instron и Wilson, способность эффективно адаптировать систему управления с обратной связью к твердомерам привела к разработке систем с никогда ранее не реализованной воспроизводимостью. В начале 1990-х годов эта технология была представлена сначала тестировщикам Rockwell, а затем Knoop / Vickers, а также системам Бринелля. Замкнутый контур быстро получил распространение как средство достижения чрезвычайно точных и воспроизводимых результатов испытаний на твердость.Сегодня это популярный и широко используемый формат.

Теперь, благодаря значительным улучшениям в последние годы в приборах для измерения твердости, компьютерном оборудовании, электронике, алгоритмах визуализации и программных возможностях, открылись двери для чрезвычайно точных и надежных процессов тестирования, которые дают результаты быстрее, чем когда-либо прежде, часто автоматически. Эти компоненты и методы доказали свою полезность в повышении эффективности, скорости и точности до беспрецедентного уровня.За последние несколько лет и, без сомнения, в будущем более традиционные процессы ручного тестирования будут и дальше быстро уступать место автоматизации во всех аспектах процесса тестирования. В индустрии испытаний на твердость теперь внедрены новые методы подготовки материалов и обращения с ними, крепления крепления, перемещения столика, интерпретации и анализа результатов, а также составления отчетов. Все больше и больше технологий автоматизации интегрируется во многие системы определения твердости с использованием перемещения ступеней и анализа изображений отпечатков Кнупа, Виккерса и Бринелля.Автоматическая система определения твердости обычно состоит из полностью управляемого тестера, включая автоматически вращающуюся или вращающуюся револьверную головку, а также привод по оси Z либо из корпуса головки / индентора, либо из системы с приводом от шпинделя, используемой как для нанесения отпечатка на заранее заданную величину. силы, а также для автоматической фокусировки образца. Добавьте к этому стандартный компьютер со специальным программным обеспечением для определения твердости, моторизованный столик с автоматическим перемещением по оси XY и видеокамеру USB, и в результате получится мощная, полностью автоматическая система измерения твердости.Эти системы можно оставить в покое, чтобы они автоматически создавали, измеряли и составляли отчеты о практически неограниченном количестве переходов отступов. Эта новая технология устраняет большую часть оборудования, которое в прошлом вызывало операционные проблемы и загромождало рабочее пространство.

Испытания на твердость играют важную роль в испытании материалов, контроле качества и приемке компонентов. Мы полагаемся на данные, чтобы проверить термическую обработку, структурную целостность и качество компонентов, чтобы определить, обладает ли материал свойствами, необходимыми для его предполагаемого использования.С годами создание средств все более продуктивных и эффективных испытаний путем совершенствования традиционной схемы испытаний уступило место новым передовым методам, которые проводят и интерпретируют испытания на твердость более эффективно, чем когда-либо прежде. В результате повышается способность и зависимость от «позволять инструменту выполнять работу», что способствует значительному увеличению производительности и согласованности и продолжает делать тесты на твердость очень полезными в промышленных и научно-исследовательских приложениях, а также в обеспечении того, чтобы материалы, используемые в вещах, которые мы используем каждый день вносить свой вклад в создание хорошо спроектированного, эффективного и безопасного мира.

ROCKWELL SCALE VS MOH’S SCALE – Jewelry Secrets

Большинство людей, занимающихся драгоценными камнями и ювелирными изделиями, будь то покупка, продажа, коллекционирование или просто изучение, хорошо знакомы со шкалой твердости Мооса.

Шкала Мооса была разработана Фридрихом Моосом в 1812 году . В нем перечислены драгоценные камни и минералы по шкале от 1 до 10 для их твердости и долговечности (например, тест на царапины).

Эта простая диаграмма служит хорошим ориентиром при объяснении клиентам, насколько твердый конкретный камень по сравнению с другими популярными драгоценными камнями и даже бриллиантами (что составляет 10).

Вы можете быстро увидеть, что рубин и сапфир (корунд) находятся на вершине рейтингов, в то время как жемчуг и золото занимают всего 2,5 балла по шкале.

Вот масштаб внизу…

Шкала твердости Мооса

От 1 до 10 камни по шкале твердости Мооса:

ТАЛК – 1
ГИПС – 2
КАЛЬЦИТ – 9
ФЛУОРИТ – 21
АПАТИТ – 48
FELDSPAR – 72
КВАРЦ – 100
ТОПАЗ – 200
КОРУНД – 400
АЛМАЗ – 1600 (синие числа – абсолютная твердость)

Как видите, этот список из 10 пунктов – Pretty Slim ( Pearl, где? ), ENTIRE Scale List (действительно большой список) находится в моем посте здесь: The Moh’s Scale!

Интересен тот факт, что ювелиры часто ссылаются на металлов по шкале Мооса и на .

Обычные металлы, используемые в ювелирных изделиях, браслетах, кольцах и подвесках, находятся в таблице ниже…

Свинец – 1,5
Олово – 1,5
Цинк – 2,5
Золото – 2,5 – 3
Серебро – 2,5 – 3
Алюминий – 2,5 – 3
Медь – 3
Латунь – 3
бронза – 3
Никель – 4

Платина – 4-4.5
Сталь – 4 – 4,5
Железо – 4,5
Палладий – 4,75
Родий – 6
Титан – 6
Закаленная сталь – 7-8
Вольфрам – 7,5
Карбид вольфрама – 8,5 – 9

Но вот что самое забавное … Металлы на самом деле не тестируются по шкале твердости Мооса, они на самом деле, точнее, тестируются по шкале твердости Роквелла .

Шкала Роквелла

Шкала Роквелла была изобретена в 1908 году двумя мужчинами, Хью Роквеллом и Стэнли Роквеллом ( не имеет отношения к ). Они разработали систему, которая будет проверять твердость таких материалов, как сталь, медь, железо, алюминий, титан, цинк и свинец.

Эта шкала показывает, как элемент может быть смещен другим элементом (называемым Indenter ), который покажет прочность на растяжение этого элемента.

Вы готовы к этому?

Взгляните на шкалу твердости Роквелла…

(Это изображение поднимает , гораздо более крупный и более читаемую версию по шкале Роквелла )

Смотрите… Вот почему ювелиры используют шкалу Мооса вместо .Его намного легче читать и понимать.

Ты можешь представить? « О, у этого Титана предварительная сила 98,07 » (закатываются глаза)

Поэтому, когда ювелир говорит, что александрит имеет оценку 8,5 по шкале Мооса, а платина – 4–4,5… , Вы получите это!

Это просто имеет смысл!

Теперь вы знаете! 🙂

Лучшие продавцы алмазов:

Джеймс Аллен

Джеймс Аллен – лидер по бриллиантам.Их интерактивная проверка алмазов в режиме реального времени является лучшей в отрасли. Просматривайте и вращайте любой алмаз при 20-кратном увеличении. Их цены, выбор, пожизненная гарантия, круглосуточная поддержка клиентов и бесплатный возврат без проблем. Посетите Джеймса Аллена сегодня.

Голубой Нил

Blue Nile – крупнейший и наиболее известный уважаемый онлайн-торговец алмазами. Им доверяют, у них огромный инвентарь и низкие цены (сравните где угодно и убедитесь сами).Если вы хотите сэкономить или построить собственное кольцо, это место для покупок. Посетите Голубой Нил сегодня.

Бриллиант | Свойства, цена и применение

О бриллианте

Алмаз – это форма углерода, кристаллизованная в кубической структуре, где каждый атом углерода связан прочной жесткой химической связью с четырьмя другими атомами. Алмаз – самый твердый из известных природных материалов. Тем не менее, из-за серьезных структурных недостатков прочность алмаза может быть только хорошей.Точная прочность алмаза на растяжение неизвестна, однако наблюдалась прочность до 60 ГПа, и теоретически она может достигать 90–225 ГПа в зависимости от объема / размера образца, совершенства решетки алмаза и его ориентации. Алмаз имеет высокий показатель преломления (2,417) и умеренную дисперсию (0,044), что придает бриллиантам блеск.

Резюме

Имя	Алмаз
Фаза на STP	цельный
Плотность	3500 кг / м3
Предел прочности на разрыв	НЕТ
Предел текучести	140000 МПа
Модуль упругости Юнга	1050 ГПа
Твердость по Бринеллю	45000 BHN
Точка плавления	4027 ° С
Теплопроводность	1000 Вт / м · К
Теплоемкость	1509 Дж / г К
Цена	20000000 $ / кг

Состав алмазов

Алмаз – это аллотроп углерода, в котором атомы углерода расположены в кубической решетке особого типа, называемой кубической алмазной решеткой.Алмаз чрезвычайно прочен благодаря своей кристаллической структуре, известной как кубический алмаз, в которой каждый атом углерода имеет четырех соседей, ковалентно связанных с ним.

100%

Применение Diamond

Источник: wikipedia.org Лицензия: CC BY-SA 3.0

Сегодня алмазы наиболее широко используются в качестве драгоценных камней для украшения и в качестве промышленных абразивов для резки твердых материалов. Рынки ювелирных и промышленных алмазов оценивают алмазы по-разному. В промышленности алмазы применяются в нефтяных буровых долотах, перфораторах, фильерах для волочения проволоки, экструзионных фильерах, вставках для режущих инструментов, оптических шлифовальных инструментах, покрытиях для жестких дисков компьютеров и покрытиях для шарикоподшипников.Алмаз – это широкозонный полупроводник (Egap = 5,47 эВ) с высоким потенциалом в качестве материала электронных устройств во многих устройствах. Поскольку алмаз имеет такую высокую теплопроводность, он уже используется в производстве полупроводников для предотвращения перегрева кремния и других полупроводниковых материалов.

Механические свойства алмаза

Сила алмаза

В механике материалов прочность материала – это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации. Сопротивление материалов в основном рассматривает взаимосвязь между внешними нагрузками , приложенными к материалу, и результирующей деформацией или изменением размеров материала. При проектировании конструкций и машин важно учитывать эти факторы, чтобы выбранный материал имел достаточную прочность, чтобы противостоять приложенным нагрузкам или силам, и сохранять свою первоначальную форму.

Прочность материала – это его способность выдерживать эту приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации.Что касается растягивающего напряжения, способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, имеющие тенденцию к удлинению, известна как предел прочности при растяжении (UTS). Предел текучести или предел текучести – это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, тогда как предел текучести – это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация. В случае напряжения растяжения однородного стержня (кривая напряжения-деформации), закон Гука описывает поведение стержня в упругой области.Модуль упругости Юнга представляет собой модуль упругости для растягивающего и сжимающего напряжения в режиме линейной упругости при одноосной деформации и обычно оценивается с помощью испытаний на растяжение.

См. Также: Сопротивление материалов

Предел прочности алмаза на растяжение

Предел прочности на разрыв алмазов N / A.

Предел текучести алмаза

Предел текучести алмазов составляет 140000 МПа (сжатие).

Модуль упругости алмаза

Модуль упругости Алмаза Юнга составляет 1050 ГПа.

Твердость алмаза

В материаловедении твердость – это способность противостоять поверхностному вдавливанию ( локализованная пластическая деформация ) и царапинам . Испытание на твердость по Бринеллю – это одно из испытаний на твердость при вдавливании, которое было разработано для испытания на твердость. В испытаниях по Бринеллю твердый сферический индентор под определенной нагрузкой вдавливается в поверхность испытываемого металла.

Твердость по Бринеллю (HB) – это нагрузка, деленная на площадь поверхности вдавливания.Диаметр слепка измеряется с помощью микроскопа с наложенной шкалой. Число твердости по Бринеллю рассчитывается по формуле:

Твердость алмаза по Бринеллю составляет приблизительно 45000 BHN (пересчитано).

См. Также: Твердость материалов

Сопротивление материалов

Упругость материалов

Твердость материалов

Термические свойства алмаза

Алмаз – точка плавления

Температура плавления алмаза 4027 ° C .

Обратите внимание, что эти точки связаны со стандартным атмосферным давлением. В общем, плавление представляет собой фазовый переход вещества из твердой фазы в жидкую. Точка плавления вещества – это температура, при которой происходит это фазовое изменение. Точка плавления также определяет состояние, в котором твердое вещество и жидкость могут существовать в равновесии. Для различных химических соединений и сплавов трудно определить температуру плавления, поскольку они обычно представляют собой смесь различных химических элементов.

Алмаз – теплопроводность

Теплопроводность алмаза составляет 1000 Вт / (м · К) .

Характеристики теплопередачи твердого материала измеряются с помощью свойства, называемого теплопроводностью , k (или λ), измеряемой в Вт / м · K . Это мера способности вещества передавать тепло через материал за счет теплопроводности. Обратите внимание, что закон Фурье применяется ко всем веществам, независимо от их состояния (твердое, жидкое или газообразное), поэтому он также определен для жидкостей и газов.

Теплопроводность большинства жидкостей и твердых тел зависит от температуры. Для паров это также зависит от давления. Всего:

Большинство материалов почти однородны, поэтому обычно можно записать k = k (T) . Подобные определения связаны с теплопроводностью в направлениях y и z (ky, kz), но для изотропного материала теплопроводность не зависит от направления переноса, kx = ky = kz = k.

Алмаз – удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость алмаза 509 Дж / г K .

Удельная теплоемкость, или удельная теплоемкость, – это свойство, связанное с внутренней энергией , которое очень важно в термодинамике. Интенсивные свойства c _v и c _p определены для чистых простых сжимаемых веществ как частные производные внутренней энергии u (T, v) и энтальпии ч. (Т, п) , соответственно:

, где индексы v и p обозначают переменные, фиксированные во время дифференцирования.Свойства c _v и c _p упоминаются как удельная теплоемкость (или теплоемкость ), потому что при определенных особых условиях они связывают изменение температуры системы с количеством энергии, добавляемой за счет теплопередача. Их единицы СИ: Дж / кг K или Дж / моль K .

Точка плавления материалов

Теплопроводность материалов

Теплоемкость материалов

Свойства и цены на другие материалы

таблица материалов в разрешении 8k

ТЕСТИРОВАНИЕ ПОРТАТИВНОЙ ЖЕСТКОСТИ – ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЕ

ПОРТАТИВНЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬ НА ЖЕСТКОСТЬ – ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЕ

ДокторСтефан Франк
Agfa NDT GmbH, Robert-Bosch-Str. 3, D-50354 Huerth, Германия
Контактное лицо для корреспондента:
Электронная почта: [email protected], Интернет: www.krautkramer.com Доклад, представленный на 8-й сессии ECNDT, Барселона, июнь 2002 г.

Реферат

Обычные твердомеры, такие как машины Роквелла, Бринелля или Виккерса, требуют испытания деталь поднести к испытательному устройству; но это не всегда возможно. Портативное тестирование были разработаны устройства, позволяющие измерять твердость на месте, таким образом, предлагая быстрое и экономичное дополнение к обычным стационарным испытательным машинам.Есть два различных физических метода, особенно признанных в практической области, и которые принятые инструменты для многих приложений.

В этой статье объясняются основные принципы обоих методов тестирования и проводится сравнение с использованием примеры из практики, возможности применения обоих методов. В Критически обсуждаемыми темами являются факторы, влияющие на испытания на твердость, такие как поверхность подготовка или толщина стенок деталей, подлежащих испытанию, e.грамм. трубопроводы.

В дополнение к этим успешно применяемым методам Krautkramer теперь представляет Совершенно новая техника: Техника Сквозного Алмаза. Этот оптический мобильный Твердомер впервые измеряет реальную твердость по Виккерсу под нагрузкой.

Введение

Что такое «твердость»?
Что касается металлов, твердость всегда была предметом многочисленных дискуссий среди технических специалистов, что привело к широкому диапазону определений.Свойства твердости включают такие различные характеристики, такие как устойчивость к абразивам, устойчивость к пластической деформации, высокий модуль упругости эластичности, высокого предела текучести, высокой прочности, отсутствия упругого демпфирования, хрупкости или отсутствия пластичности.

Для металлурга твердость – это сопротивление материала проникновению. В общем, индентор вдавливается в поверхность исследуемого материала при определенной нагрузке на определенную интервал времени, и производится измерение размера или глубины вмятины.

Твердость – это не фундаментальное свойство материала, а реакция на определенное испытание. метод. В основном значения твердости произвольны, и нет абсолютных стандартов для твердость. Твердость не имеет количественного значения, за исключением заданной нагрузки, приложенной в специфическим, воспроизводимым способом и с заданной формой индентора.

Испытания на статическое вдавливание, при которых шар, конус или пирамида проникают в поверхность тестируемый материал широко распространен.Отношение нагрузки к площади или глубине вдавливание – это мера твердости, как в обычных настольных станках по Бринеллю, Твердомеры по Роквеллу, Виккерсу или Кнупу.

Различные методы и инденторы различной формы, используемые, например, Бринеллем (HB) и Rockwell (HRC) дают разные отклики испытуемого материала. Преобразование таблицы, относящиеся, например, к Значения HRC и HB должны быть определены эмпирически экспериментальная оценка твердости конкретного материала с помощью различных методов испытаний.Не существует математического уравнения для переноса измерений с одной шкалы на другую. Чтобы сравнить твердость двух разных образцов, оба должны быть измерены с использованием одного и того же шкала твердости, или шкала должна быть разработана для преобразования одного измерения в другое.

Почему измерение твердости?
В производственных приложениях материалы в первую очередь испытываются по двум причинам: либо для исследовать характеристики нового материала или в качестве проверки качества, чтобы убедиться, что образец соответствует определенной спецификации.

Как измерить твердость на месте?
Обычные машины для определения твердости требуют, чтобы испытательный образец был доставлен на испытание. устройство; но это не всегда возможно. Разработаны портативные испытательные устройства, которые позволяют проводить измерения твердости на месте.

Одно популярное устройство измеряет сдвиг частоты резонирующего стержня с помощью прибора Виккерса. алмазный наконечник, который возникает, когда алмаз проникает в исследуемый материал путем нанесения определенная тестовая нагрузка.Частотный сдвиг оценивается и электронным образом преобразуется в значение жесткости отображается на ЖК-дисплее. Инструменты MICRODUR (Krautkramer) работают в соответствии с этим методом используется так называемый метод UCI (ультразвукового контактного импеданса).

Другой известный принцип портативных твердомеров – метод отскока. В DynaMIC и DynaPOCKET (Krautkramer), например, измеряют скорость перемещаемый ударный элемент непосредственно до и после удара о поверхность исследуемого материала.Соотношение между обеими скоростями указывает твердость материала, которая может быть преобразованы в различные шкалы с помощью таблиц преобразования, хранящихся в приборе для разные материалы.

Измерение твердости UCI и отскока с помощью всего одного прибора!

Совершенно новый Krautkramer MIC 20 сочетает в себе два наиболее успешно применяемых портативных устройства. принципы измерения твердости в одном приборе. Хотите ли вы использовать принцип UCI или метод динамического тестирования отскока – MIC 20 предлагает обе возможности.Все вы нужен только один инструмент, и все существующие датчики UCI и ударные устройства могут быть подключены в и использовал.

Метод UCI

Как и при стандартных испытаниях твердости по Виккерсу или Бринеллю, вопрос о размере тестового отпечатка в материал, образованный определенной испытательной нагрузкой, также возникает в Испытание на твердость по Виккерсу согласно UCI (Ультразвуковой контактный импеданс) метод. Тем не мение, диагонали тестового отпечатка, которые должны быть известна для определения твердости по Виккерсу значения, не оцениваются оптически, как обычно, но область вдавливания определяется электронным способом измерение сдвига ультразвуковой частоты

Зонд UCI обычно состоит из алмаза Виккерса, прикрепленного к концу металлического стержня. (Инжир.1). Этот стержень возбуждается в продольные колебания с частотой около 70 кГц пьезоэлектрическим преобразователи.

Рис 1: Схематическое описание датчика UCI.

При приложении испытательной нагрузки происходит сдвиг частоты, поскольку алмаз проникает в материал. Этот сдвиг частоты станет больше, когда тестовая выемка станет больше, это означает, что алмаз глубже проникает в «мягкий» материал.Аналогично, наименьший частотный сдвиг получается у твердых испытательных материалов; алмаз проникает только слегка вдавливается в материал и оставляет небольшое углубление.

Это секрет испытаний на твердость UCI: сдвиг частоты пропорционален размеру тестовое вдавливание, произведенное алмазом Виккерса. Уравнение (1) описывает этот основной соотношение по сравнению с определением значения твердости по Виккерсу.

(1)

Уравнение 1:

Сдвиг частоты как функция размера отпечатка Виккерса индентор.Df = частотный сдвиг, A = область вдавливания, E _eff = эффективный модуль упругости (содержит упругие постоянные как индентора, так и испытательного образца), HV = значение твердости по Виккерсу и F = сила, приложенная в Испытание на твердость по Виккерсу.

Для выполнения принципа UCI зонд, содержащий стержень с прикрепленным алмазом Виккерса к контактному концу резонирует пьезокерамика на ультразвуковой частоте. А пружина прикладывает нагрузку, и частота стержня изменяется пропорционально контакту область отпечатка, образованного алмазом Виккерса.Следовательно, значение твердости равно определяется не визуально по диагоналям отпечатка, а путем электронного измерения сдвига частоты за секунды.

Прибор постоянно контролирует частоту, выполняет расчет и мгновенно отображает значение твердости.

Тем не менее, частотный сдвиг также зависит от модуля упругости Юнга, которая является материальной постоянной. Для практического применения UCI-метода используется метод Юнга. модуль поэтому необходимо учитывать.Прибор необходимо откалибровать, когда твердость различных материалов с разными значениями модуля Юнга должна быть определенный.

После завершения калибровки метод UCI можно использовать для всех материалов, показывающих это модуль упругости. При изготовлении датчики калибруются по низкому легированные или нелегированные стали; однако современные испытательные приборы можно быстро откалибровать, также на месте испытаний и других материалов, таких как титан или медь.

Метод отскока

Твердомеры, использующие метод отскока, работают несколько иначе. Хотя размер образовавшегося отпечатка зависит от твердости материала. даже в этом случае он косвенно измеряется через потерю энергии так называемого удара тело. Масса ускоряется к поверхности испытуемого объекта и падает на нее с определенной скоростью. скорость, т.е. кинетическая энергия. Удар создает пластическую деформацию поверхности, т.е.е. ан вмятина, из-за которой ударное тело теряет часть своей первоначальной скорости – или энергии. Это потеряет большую скорость при создании большего углубления на более мягком материале. Технически, этот принцип измерения реализуется с помощью ударного тела, имеющего сферический наконечник из карбида вольфрама, который пружиной ускоряется на испытательной поверхности сила. Каждую из скоростей после и до удара измеряют в бесконтактном режиме.

Это делается с помощью небольшого постоянного магнита внутри ударного тела (рис.2) который порождает индукционное напряжение при прохождении через катушку, причем это напряжение пропорционально к скорости.

Рис. 2: Поперечный разрез типичного ударное устройство.

Изобретатель этого метода Д. Либ определил «свое» значение твердости, твердость по Либу. ценить. Значение твердости по Leeb, HL, рассчитывается из соотношения силы удара и отскока. скорость согласно:

(2)

Уравнение 2:

Значение твердости по Leeb (HL) определяется как отношение между скоростью отскока (v _R) после и скоростью удара (v _I) перед ударом шарика из карбида вольфрама о испытуемый образец поверхность.

Вы можете спросить себя: «Кто хочет измерить значение твердости в Leeb? »Ответ: как Фактически, любой, кто использует отскок Метод испытания на твердость делает это, потому что Leeb значение твердости по определению в уравнении (2), фактическое значение физического измерения за Этот способ. Однако почти ни один пользователь не указывает Значение твердости по Либу HL в его спецификациях или отчеты об испытаниях. В основном мы конвертируем в необходимые шкалы твердости (HV, HB, HS, HRC, HRB, Н / мм ²).По этой причине только конверсия приносит метод твердости отскока к жизни. Эмпирически определены таблицы преобразования для различных группы материалов хранятся в Krautkramer инструменты для испытания на твердость.

Чтобы применить этот принцип, в ударном устройстве используется пружина для продвижения ударного тела через направляющую трубку к испытательному образцу. Как он путешествует к испытательному образцу магнит, содержащийся в ударном теле, генерирует сигнал в катушка, охватывающая направляющую трубку.После удара он отскакивает от поверхности, вызывая второй сигнал в катушку. Прибор Крауткрамера рассчитывает значение твердости используя соотношение напряжений и анализирует их фазы для автоматической компенсации изменение ориентации. Благодаря запатентованной обработке сигналов нет необходимости в каких-либо ручная коррекция направления удара. Только твердомеры по Крауткрамеру предлагают это функция автобалансировки.

Возможности применения определяются силой и размером шара ударного тела.В оператор может выбирать между различными ударными устройствами для твердомеров DynaMIC (Dyna D, Dyna E и Dyna G), а также инструмент DynaPOCKET.

Метод сквозного алмаза

В то время как оба метода – UCI- и Rebound – успешно используются в полевых условиях и решают многие приложения для испытания на твердость на месте, существуют ограничения, касающиеся типа исследуемый материал, его размер и вес соответственно. Кроме того, из-за влияние модуля Юнга, большинство традиционных методов испытаний не позволяют измерить различные материалы без предварительной калибровки или настройки прибора.

Каковы преимущества метода TDT?

с просмотром транспирамидального индентора, или также известный как Through Diamond Техника преодоления этого «недостатка»: практически все виды материалов из стали до резины и от алюминия до пластмасс могут быть протестированы без необходимости калибровка прибора. С этим инструмент мы разработали оптический мобильный твердомер, позволяющий измерение твердости под нагрузкой без столкнуться с тревожным влиянием упругие свойства исследуемого материала, я.е. Модуль для младших.

Система состоит из переносной базы. прибор с графическим ЖК-дисплеем дисплей и датчик TDT (см. рисунок 3).

Рис 3: Схематическое описание датчика TDT.

Путем приложения определенной испытательной нагрузки (например, 50 Н) алмаз проникает в материал. Размер углубления алмаза Виккерса, т.е. е. длина диагоналей автоматически измеряется под нагрузкой при просмотре через алмаз с оптической системой, имеющей ПЗС-камеру.Затем выполняется оценка данных в инструмент. Поскольку твердость по Виккерсу просто определяется как соотношение между испытательной нагрузкой и размер отступа (диагонали отступа), TDT-измерение диагонали length немедленно дает значение твердости по Виккерсу для приложенной испытательной нагрузки. Жизнь изображение углубления, отображаемое на ЖК-дисплее прибора, также позволяет немедленно характеристика надежности измерения, то есть качества алмаза Виккерса отступ.

Физический метод определения твердости TDT, восходящий к твердости по Виккерсу, позволяет мобильные испытания различных материалов без необходимости калибровки прибора. К просматривая алмаз под нагрузкой, TDT открывает не только мобильное испытание твердости для новых применений, таких как рулоны, тонкие слои и покрытия, а также для различных материалов, таких как пластмассы, стекло и высокотехнологичные материалы, такие как керамика или интерметаллиды.

При тестировании под нагрузкой через ромбик приборы TDT даже позволяют для измерения твердости эластичных или мягких материалов.Другие типы тестов, например, Бринелля, У тестов Виккерса или Кнупа есть свои трудности. Проблема с попыткой применить некоторые из «старых типов» тестов заключается в том, что сами отпечатки иногда могут почти полностью восстановиться, и не останется постоянного оттиска, поэтому производим измерения невозможно. Метод TDT устраняет эту проблему. Это включает в себя прессование алмаза пробойник известной геометрии в поверхность материала. Размер отступа будет контролируется под нагрузкой во время теста.

В некоторых отраслях промышленности можно рассматривать алюминий или сплавы мягких металлов, такие как припой. «Мягкие» материалы. Но по мере того, как испытания каучуков, пластиков и полимеров становятся все более обычным явлением, даже самые мягкие металлы будут казаться сравнительно твердыми. Это относительный термин. Тем не менее, приложения для тестирования мягких материалов широко распространены. Автомобильная промышленность проверяет твердость красок и шин. Микроэлектроника и фотоника промышленность тестирует пленки с низкой диэлектрической проницаемостью, химические и механические полировальные диски, связку колодки, припои и электронные упаковочные материалы.Промышленность биоматериалов тестирует полимер материалы для имплантации суставов, лак для ногтей и частицы лекарств. Медицинское поле даже тесты биологические образцы, такие как печень, хрящи и артериальные ткани. Определение значимого значения твердости для мягких материалов всегда были сложными, и, несмотря на недавнее прогресс в методах и инструментах, продолжает быть таковым.

Техника сквозного алмаза (TDT)

Инновация в этой технике – оценка отпечатка алмаза Виккерса, что происходит при просмотре через алмаз Виккерса с помощью камеры CCD.Для этого Для этого необходимо осветить внутренние поверхности алмаза с помощью светоизлучающих геометрически расположенные диоды (LED).

Для получения наивысшего разрешения изображения отступа необходимо соответствие длина волны светодиодного света и характеристики спектральной чувствительности ПЗС-матрицы чип. Специальная система линз была разработана и адаптирована к светодиоду, чтобы обеспечить максимальное разрешающая способность. Компьютерная оценка отпечатка и определение длина диагонали определяется тремя шагами.Первый шаг определяет приблизительное положение отступ. После этого определяется точный ход границы отпечатка в местных окрестностей (так называемые области интересов) путем применения подходящих «переходных фильтров» для определение любого перехода серой шкалы. Наконец, поверхность отступа и диагонали определяются с помощью пересечений рассчитанных границ и краев Алмаз Виккерса. Согласно определению Виккерса, значение HV рассчитывается для приложенная испытательная нагрузка.

Практическое применение

Система TDT на базе ПК состоит из портативного ПК и датчика TDT. Интерфейс между прибором и зондом служит источником питания для зонда, а также разъемом для всех функций управления. Интерфейс также подает сигнал BAS с камеры CCD на фреймграббер. С помощью специального программного обеспечения можно оценить данные, измерить диагонали. и рассчитанное значение твердости. Может отображаться живая картинка через бриллиант, обеспечение возможности просмотра процесса вдавливания алмаза, i.е. рост вмятины приложив тестовую нагрузку. Это также позволяет характеризовать качество алмаза на месте. и углубление алмаза, соответственно.

В зависимости от разрешения и испытательной нагрузки можно анализировать различные диапазоны твердости. Стандартный зонд TDT с испытательной нагрузкой 50 Н позволяет измерять диапазон примерно от От 100 HV5 до 900 HV5. Для более мягких материалов необходимо применять меньшую испытательную нагрузку.

В принципе, можно испытывать все виды материалов, если значение твердости находится в диапазоне датчика TDT, используемого для измерения.

Рис.4: Типичные алмазные вмятины по Виккерсу, полученные при измерениях TDT. на а) стали б) рулонной стали в) тефлоне и г) керамике (Al ₂ O ₃).

На рис. 4 показаны некоторые типичные вмятины по Виккерсу. полученные прибором ТДТ на различных материалах под тестовое задание. TDT – например – позволяет определять твердость сыпучего материала.

позволяет измерять твердость на катушках
, а также открывает новые возможности для испытаний на твердость как высокотехнологичные материалы
керамика
или резина и пластмассы.

Резюме

Если смотреть сквозь алмаз под нагрузкой, открывается метод сквозного алмаза. новые приложения для испытаний на твердость. Портативный инструмент позволяет не только измерения, но также позволяет измерять твердость для всех видов материалов. В полученное значение твердости соответствует испытаниям по Виккерсу, за исключением того, что ТДТ измеряет под нагрузкой, что также позволяет измерять эластичные материалы там, где обычно твердость вдавливания не удается.

Заключение

Мобильные приборы для определения твердости не заменят традиционные настольные машины, но, тем не менее, они стали незаменимым дополнением к установкам для определения твердости. В течение в последние десятилетия несколько портативных инструментов, основанных на различных физических методах, были развитый. Сегодня переносные устройства являются широко распространенными и признанными инструментами для переносных работ на стройплощадке. приложения для испытаний на твердость.

Эти приборы решают множество мобильных задач определения твердости, но, тем не менее, каждый метод ограничен – более или менее – определенной областью применения и, следовательно, решение относительно Какой метод и инструмент использовать, сильно зависит от тестируемого приложения.

Испытание на твердость, часть 1 – TWI

Твердость материала может иметь несколько значений в зависимости от контекста, который в случае металлов обычно означает сопротивление вдавливанию. Существует ряд методов испытаний, из которых в этой статье будут рассмотрены только испытания на твердость по Бринеллю, Виккерсу и портативные устройства.

Испытание на твердость по Бринеллю

Тест Бринелля был разработан шведским исследователем в начале 20 века. Испытание включает в себя вдавливание шарикового индентора из закаленной стали в поверхность образца с использованием стандартной нагрузки, как показано на Рис.1 (а) . Соотношение диаметр / нагрузка выбирается таким образом, чтобы получить впечатление приемлемого диаметра. Мяч может иметь диаметр 10, 5 или 1 мм, нагрузка может составлять 3000, 750 или 30 кгс. Нагрузка P связана с диаметром D соотношением P / D ², и это соотношение стандартизировано для различные металлы, чтобы результаты испытаний были точными и воспроизводимыми. Для стали соотношение составляет 30: 1 – например, шар диаметром 10 мм можно использовать с нагрузкой 3000 кгс или шар диаметром 1 мм с нагрузкой 30 кгс. Для алюминиевых сплавов соотношение составляет 5: 1.Нагрузка применяется в течение фиксированного периода времени, обычно 30 секунд. Когда индентор втянут, два диаметра слепка, d ₁ и d ₂, измеряются с помощью микроскопа с калиброванной сеткой, а затем усредняются, как показано на Рис.1 (b) .

Число твердости по Бринеллю (BHN) определяется путем деления нагрузки на площадь поверхности слепка. Существует несколько утомительный расчет, который можно выполнить для определения числа твердости, но более обычным и гораздо более простым является обращение к набору стандартных таблиц, из которых число твердости по Бринеллю можно прочитать напрямую.

Тест Бринелля обычно используется для измерения твердости металла в объеме – отпечаток больше, чем у теста Виккерса, и это полезно, поскольку оно усредняет любую локальную неоднородность и меньше зависит от шероховатости поверхности. Однако из-за большого диаметра шарика испытание не может использоваться для определения изменений твердости сварного соединения, для которого предпочтительнее испытание по Виккерсу. Очень твердые металлы, превышающие 450BHN, также могут вызвать деформацию шара, что приведет к неточным показаниям.Чтобы преодолеть это ограничение, вместо шарика из закаленной стали используется шарик из карбида вольфрама, но для этого индентора также существует предел твердости 600BHN.

Испытание на твердость по Виккерсу

Тест на твердость по Виккерсу работает по принципам, аналогичным тесту Бринелля, но основным отличием является использование алмазного индентора пирамидальной формы с квадратным основанием, а не шарика из закаленной стали. Кроме того, в отличие от теста Бринелля, глубина слепка не влияет на точность считывания, поэтому соотношение P / D ² не имеет значения.Алмаз не деформируется при высоких нагрузках, поэтому результаты на очень твердых материалах более надежны. Нагрузка может варьироваться от 1 до 120 кгс и применяется в течение 10-15 секунд.

Основные принципы работы теста твердости по Виккерсу показаны на Рис. 2 , где видно, что нагрузка прикладывается к индентору с помощью простого утяжеленного рычага. В старых машинах в качестве механизма синхронизации используется маслозаполненная приборная панель, на более современном оборудовании это делается с помощью электроники.

Как показано на рис. 3 (b) , две диагонали , d ₁ и d ₂, измеряются, усредняются, а площадь поверхности рассчитывается, а затем делится на приложенную нагрузку. Как и в случае теста Бринелля, диагональное измерение преобразуется в показатель твердости с помощью набора таблиц. Твердость может быть выражена как число твердости по Виккерсу (VHN), число алмазной пирамиды (DPN) или, как правило, Hv _xx, где «xx» представляет нагрузку, используемую во время испытания.

Как упоминалось ранее, вдавливание по Виккерсу меньше, чем отпечаток Бринелля, и, таким образом, можно испытывать гораздо меньшие участки, что позволяет проводить обследование сварного шва, включая отдельные участки и зоны термического влияния. Небольшой отпечаток также означает, что поверхность должна быть плоской и перпендикулярной индентору и иметь зернистость не менее 300.

Ошибки при определении твердости

Существует множество факторов, которые могут повлиять на точность измерения твердости.Некоторые из них, такие как плоскостность и чистота поверхности, уже упоминались выше, но стоит еще раз подчеркнуть, что плоскостность является наиболее важной – максимальный угол приблизительно ± 1 ° будет считаться приемлемым.

Для достижения требуемого допуска плоскостности и чистоты поверхности может потребоваться шлифовка или механическая обработка поверхности. Необходимо приложить правильную нагрузку, и для этого в системе загрузки не должно быть трения, в противном случае отпечаток будет меньше ожидаемого – поэтому регулярное техническое обслуживание и калибровка машины имеют важное значение.Состояние индентора имеет решающее значение – хотя алмаз Виккерса вряд ли испортится при использовании, если он не будет поврежден или ослаблен при его установке из-за неуклюжего обращения, шар Бринелля со временем деформируется, что приведет к неточным показаниям. Это ухудшение будет ускоряться, если большая часть работы будет выполняться с твердыми материалами. Продолжительность приложения нагрузки важна и должна контролироваться.

Размеры образца важны – если образец слишком тонкий, твердость таблицы образцов повлияет на результат.Как показывает практика, толщина образца должна быть в десять раз больше глубины слепка для теста Бринелля и в два раза больше толщины диагонали Виккерса. Точно так же, если оттиск находится слишком близко к краю образца, будут зарегистрированы низкие значения твердости – опять же, как правило, оттиск должен быть примерно в 4–5 раз больше диаметра оттиска от любого свободного края. При проведении испытаний на твердость цилиндрических поверхностей, например труб и трубок, радиус кривизны влияет на форму отпечатка и может привести к ошибкам.Может потребоваться применение поправочного коэффициента – это описано в спецификации ISO, ISO 6507, часть 1.

Стол для образцов должен иметь жесткую опору и быть в хорошем состоянии – заусенцы или выступающие края под образцом будут давать низкие показания. Следует избегать ударных нагрузок. Поднимая стол, очень легко вдавить индентор в поверхность образца. Это может привести к перегрузке оборудования и повреждению индентора. Обучение оператора имеет решающее значение, а регулярная проверка или калибровка необходимы, чтобы результаты покоя твердости были точными и воспроизводимыми.

Эту статью написал Джин Мазерс .

Часть 2

Измерения твердости при вдавливании в макро-, микро- и наномасштабе: критический обзор

Шкала твердости при вдавливании

В то время как в области трибологии пределы макро-, микро- и наномасштабных экспериментов все еще нечеткие [47 ], в области механики вдавливания существует определенный консенсус относительно того, какие тесты можно считать принадлежащими каждой шкале. Считается, что испытания по Бринеллю и Роквеллу проводятся в макромасштабе из-за высоких нагрузок (5 Н – 30 кН), областей с высокой деформацией и большого проникновения (более 1 мм).Виккерс и IHRD считаются макро- или микромасштабами в зависимости от приложенной нагрузки. Испытание Кнупа считается испытанием в микромасштабе с низкими нагрузками и малой глубиной проникновения (до 0,1 мм). Тест Бухгольца также является микромасштабным из-за малой глубины проникновения в покрытия (15–35 мкм). Наконец, вмятины, сделанные с помощью наноинденторов или атомно-силовых микроскопов, рассматриваются как испытания в наномасштабе с нагрузками L, <30 мН и проникновениями <5 мкм. Пределы шкалы не очень ясны для всех методов.«Малыш» по Бринеллю не может считаться микромасштабным тестом, потому что проницаемость обычно высока, а тест Роквелла T , проведенный для тонких материалов, находится на границе между макро- и микромасштабами.

Есть также некоторые разногласия в стандартах относительно диапазона нагрузок, применимого к микромасштабным испытаниям. Спецификация ASTM E384, например, гласит, что диапазон нагрузок для испытаний в микромасштабе составляет 1–1000 гс (от ~ 9,8 мН до ~ 9,8 Н) [34]. С другой стороны, в стандарте ISO 14577-1 указано, что микромасштабное вдавливание предназначено для нагрузок менее 200 гс (~ 1.96 Н). Фактически, эта норма ISO дает диапазоны нагрузок и проникновений для определения твердости при вдавливании по трем шкалам [10], как показано в Таблице 2.

Таблица 2 Шкалы испытаний на твердость, определенные в ISO 14577-1 [1]

На рисунке 11 показана оценка количества научных публикаций, посвященных твердости материалов при вдавливании, за период с 1910 по 2015 годы. Данные за каждый год, указанный на рисунке, включают все публикации за предшествующий период в 15 лет.В обзоре публикации разделяются по макро-, микро- или наномасштабам, в которых измерялась твердость на вдавливание. Оценка проводилась с помощью базы данных Google Scholar с использованием в качестве ключевых слов: «твердость вдавливания», «микро-вдавливание» и «наноиндентирование» посредством поиска по логической логике для исключения публикаций, касающихся одновременно двух или трех масштабных измерений в одном и том же публикация. Наблюдается стремительный рост публикаций в наномасштабе за последние 15 лет, который превышает количество публикаций в микромасштабе.

Рис. 11

Количество публикаций, сообщающих о результатах твердости при вдавливании в макро- ( закрашенных треугольников, ), микро- ( закрашенных кружков, ) и наномасштабах ( закрашенных квадратов ). Оценка проводилась с использованием базы данных Google Scholar. Каждая точка данных указывает количество публикаций за предыдущий 5-летний период

Определения твердости при вдавливании

Твердость при вдавливании в вышеупомянутых методах определяется тремя различными способами.Бринелль и Викерс определяют твердость как приложенную нагрузку L , деленную на фактическую площадь A _c вдавленной криволинейной поверхности. Мейера, Кнупа и твердость наноиндентирования определяются как отношение приложенной нагрузки L к площади проекции ( A _p или A _пмл) абзаца. Наконец, испытания по Роквеллу, Шору, IHRD и Бухгольцу определяют твердость путем измерения глубины проникновения индентора под большой нагрузкой.

Некоторые авторы объясняют, что существует просто геометрическая разница между фактической площадью A _c криволинейной поверхности слепка и площади проекции A _с абзаца. Однако это геометрическое приближение справедливо, если вдавливание вызывает 100% пластическую деформацию. Если материал имеет упруго-пластическое поведение, геометрическое преобразование между методами затруднено [48].

В случае проецируемых площадей в отступе Кнупа A _p измеряется после того, как произошло упругое восстановление, а при наноиндентировании площадь A _pml рассчитывается во время максимальной приложенной нагрузки, поэтому обе области будут отличаться в зависимости от степени упругого восстановления материала.

Наконец, в методах Роквелла, Шора по дюрометру, Бухгольца и IHRD для расчета твердости измеряется глубина вдавливания, и окончательно деформированный участок очень трудно соотнести с предполагаемыми или фактическими деформированными зонами других испытаний на вдавливание.

Хорошо известно, что твердые тела имеют три реакции на приложенную силу, которая зависит от силы силы и материала. На рисунке 12 показана схема типичной кривой напряжение – деформация, на которой можно наблюдать три области:

Рис. 12

Схема типичной кривой напряжение – деформация

Elastic материал временно меняет свою форму, но возвращается к исходной форме, когда напряжение снимается.Деформация в упругой области линейна, что описывается кривой зависимости напряжения от деформации. В этой области определение твердости при вдавливании как отношение приложенной нагрузки к площади остаточной деформации неприменимо. Для измерения значимых значений твердости необходимо использовать методы проникновения для измерения твердости, такие как твердомер Шора, IHRD или тесты Бухгольца.
Пластик Материал постоянно меняет форму в ответ на напряжение, но остается цельным.Предел текучести – это точка, в которой упругая деформация сменяется пластической деформацией. Деформация в пластической области носит нелинейный характер, что описывается кривой зависимости напряжения от деформации. Измерения твердости при вдавливании в этой области могут быть выполнены с использованием участков постоянной деформации или проникновения индентора, как описано выше.
Трещина. Материал трескается и разделяется на две или более части.Свойство разрушения в методах вдавливания можно использовать для расчета других механических свойств, таких как ударная вязкость [49].

При вдавливании материала возникают упругие и пластические деформации в зависимости от приложенного уровня напряжения. Все тесты на макро- и микро-вдавливание с использованием A _c или A _p Измерьте площадь пластической деформации после того, как материал упруго восстановился.Расчет твердости может давать разные значения разными методами, даже с учетом геометрической коррекции. Разница будет зависеть от того, насколько приложенные напряжения в каждом методе деформируют материал на упругую и пластическую зоны, уступая место более или менее упругому восстановлению. Кроме того, обычно игнорируется поведение погружения или наложения вокруг области с отступом, даже если они уже были изучены на ранней стадии разработки методов. Norbury et al. [50] опубликовали новаторское исследование накопления и погружения во время испытаний на твердость вдавливания по Бринеллю, в котором они обнаружили большое влияние на измерение твердости.Конечно, эти различия могут оказаться в пределах погрешности измерения, если деформированные участки измерять микроскопами с малым увеличением.

Для наноиндентирования другой случай. Во-первых, контактная площадка A _pml рассчитывается, а не измеряется напрямую. Расчет А _pml, разработанный Oliver and Pharr, однако, действителен только для материалов, в которых поверхность вокруг индентора утоплена, как показано на рис.6 и 9а. Если происходит обратное явление деформации вдавливания – «наложение» (т. Е. Поверхность образца вокруг индентора находится на более высоком уровне, чем его окружение, как показано на рис. 13b), прогнозируемая площадь контакта меньше, чем реальная. . Следовательно, площадь контакта опоры индентора на L = L _max увеличивается, и измеренные модуль упругости и твердость могут быть значительно завышены до 50% [40].

Фиг.13

Схемы a врезания и b наложения вокруг индентора

Оливер и Фарр показали, что величина наложения или поглощения зависит от ч _f/ h _max и деформационное упрочнение [40]. Конкретно pileup велик только тогда, когда h _f/ h _max близок к 1 и степень наклепа мала.Также следует отметить, что при h _f/ h _макс. <0,7, наблюдается очень небольшое скопление, независимо от того, каков характер деформационного упрочнения материала.

Недавно Уолли обсуждал возможность определения «абсолютной твердости» [15]. Он указал, что основная проблема всех методов определения твердости заключается в том, что они изменяют материал, свойства которого пытаются измерить. Уолли просмотрел множество публикаций, в которых пытались определить или измерить абсолютное значение, и единственная, которая, как он обнаружил, подходила к решению, оказалась непрактичной.Испытания на твердость не предназначены для измерения «абсолютных» свойств, и практически все попытки устранить усложняющие переменные и свести их к фундаментальному испытанию оказались бесплодными [15, 51].

До недавнего времени в Европе было принято говорить о расчете «универсальной твердости» (UH). Например, в первоначальном проекте стандарта ISO 14577, подготовленном в 2000 году, использовался термин UH при обозначении твердости, рассчитанной с помощью инструментальных испытаний на вдавливание.Другим термином, используемым в документе, был «Твердость при испытании силы», относящийся к способу расчета твердости: приложенное максимальное усилие L _max деленное на площадь контакта, рассчитанную при максимальной нагрузке A _s (см. Рис. 9a для сравнения A _c, A _п, А _pml и A _с).По данным Wilde et al. [52], в комитете ISO имело место много дискуссий, поскольку название «универсальный» могло сбивать с толку. Наконец, было решено назвать его «Твердость по Мартенсу» (HM) в честь немецкого профессора Адольфа Мартенса, ведущего исследователя характеристик стали в конце девятнадцатого века. Адольф Мартенс был первым исследователем, описавшим стальную конструкцию, которая носит его имя (мартенситная), а также был первым, кто построил машину для вдавливания в макромасштабе, измеряя проникновение индентора при максимальной нагрузке [52].{2} $$

(20)

Важно отметить разницу между A _s и A _п для индентора Берковича; Уравнение (15) дает A _p ( ч ) = 24,56 ч ². Тогда твердость по Мартенсу для индентора Виккерса составляет:

$$ {\ text {HM}} = \ frac {{L_ {\ hbox {max}}}} {{A _ {\ text {s}} \ left (h \ right)}} = \ frac {{L_ {\ hbox {max}}}} {{26.{2}}} $$

(22)

Значения твердости по Мартенсу определяются по показаниям нагрузки и глубины во время приложения испытательного усилия, и согласно норме требуется проникновение на глубину более 0,2 мкм [10]. Величина твердости по Мартенсу обозначается символом HM, за которым следуют условия испытаний, которые определяют индентор, испытательную силу, время приложения испытательной силы и количество шагов приложенной нагрузки, если не непрерывное приложение силы.Например, «HM (Беркович) 0,5 / 20/30 = 6500 Н / мм ²» представляет значение твердости по Мартенсу 6500 Н / мм ², определенное с помощью испытательного усилия 0,5 Н, приложенного в течение 20 секунд в 30 шагов. Основное отличие HM от стандартной твердости по Виккерсу состоит в том, что A _s учитывает как упругую, так и пластическую деформацию, поскольку она измеряется под нагрузкой, а A Только _p подвержена пластической деформации, поскольку она измеряется после вдавливания.

После обсуждения способов расчета твердости по разным поверхностям (площадь контакта A _c, площадь проекции A _p, площадь проекции при максимальной нагрузке A _pml, площадь контакта при максимальной нагрузке A _с) или глубины проникновения, напомню еще один вопрос: какое из них разумнее определять твердость? По словам Табора, измерения твердости металлов на макро- и микро-вдавливаниях, по сути, являются мерой предельного напряжения текучести материала.Поэтому он пришел к выводу, что физически более целесообразно определять твердость как контактное давление, используя площадь проекции A _p. [53]. К такому же выводу пришел Мейер в 1908 году, когда он предложил изменить определение твердости по Бринеллю. Однако, как мы обсуждали в предыдущих параграфах, если есть эффекты наложения из-за эластопластической природы материала, метод измерения давления через проектируемую область после разгрузки, похоже, не срабатывает.Более разумный метод, рекомендованный комитетом ISO, – это измерение твердости по Мартенсу [52]. Этот метод уже может быть использован в экспериментах по наноиндентированию, и, учитывая технологические достижения последнего десятилетия в разработке и создании более точного оборудования для измерения твердости, неудивительно, что в ближайшем будущем будут обнаружены твердомеры, измеряющие твердость по Мартенсу. макро- и микромасштаб. Возможность измерения твердости одним и тем же методом во всех масштабах, наконец, приведет к решению задачи сравнения твердости различных материалов на макро-, микро- и наномасштабе.

Практические преобразования между методами

В предыдущем разделе мы обсуждали, как преобразование твердости между различными методами не может быть выполнено математически точным. Различные нагрузки, разные формы и материалы инденторов, разная однородность образца в разных масштабах и упругие свойства материала усложняют задачу. Были выведены эмпирические уравнения, связывающие несколько конкретных материалов [54].

В макро- и микромасштабе есть таблицы и диаграммы преобразования, которые можно использовать для получения приблизительных эквивалентных значений твердости.Эти диаграммы и шкалы включены в некоторые стандарты, где значения были нанесены на график и установлен преобразование. Двумя из таких стандартов являются BS ISO 18265 [55] и ASTM E140 [56]. Преобразования для этих стандартов не совсем одинаковы, но похожи, включая преобразования Виккерса, Бринелля, Роквелла (B и C) для ограниченного числа типов материалов. Некоторые другие шкалы твердости включены в стандарты, но они используются реже.

Так как методы вдавливания различаются, корреляция значений твердости, снятых разными методами, должна приниматься только для справки.ASTM E140-07 дает убедительные доказательства того, что преобразование твердости не так просто, как хотелось бы верить:

… Преобразование значений твердости следует использовать только тогда, когда невозможно испытать материал в указанных условиях, а когда преобразование выполняется, оно должно выполняться осторожно и в контролируемых условиях. Каждый тип испытания на твердость подвержен определенным ошибкам, но при тщательном соблюдении мер предосторожности надежность показаний твердости, сделанных на инструментах типа вдавливания, будет сопоставимой.Различия в чувствительности в пределах заданной шкалы твердости (например, по шкале Роквелла B) могут быть больше, чем между двумя разными шкалами или типами инструментов. Значения преобразования, будь то из таблиц или рассчитанные по уравнениям, являются приблизительными и могут быть неточными для конкретного применения… [56].

Таким образом, преобразование твердости – очень сложный процесс. Преобразование показаний из одной шкалы в другую или из одного метода в другой следует производить с осторожностью, только когда это абсолютно необходимо, и принимать его только как ориентировочное значение.

Другая проблема возникает при работе с единицами жесткости. Например, даже если твердость рассчитывается как сила, деленная на площадь, неправильно рассматривать твердость как давление, потому что распределение давления под индентором обычно неоднородно, и площади рассматриваются по-разному в зависимости от к методу: иногда – это область приложения силы, иногда – область после упругого восстановления, иногда – область проекции. Кроме того, следует соблюдать осторожность при обращении с агрегатами.Например, действительно, материал 30 HV тверже, чем материал 10 HV. Однако H = 30 HV не означает, что у нас есть 30 единиц твердости 1 HV, аналогично тому, как мы выражаем, что при массе 25 кг мы имеем 25 единиц массы 1 кг. HV – это не единица измерения, а символ (обозначение) обычного метода измерения [51].

Интерпретация твердости в различных масштабах

Существует много работ, в которых утверждается «многомасштабная» характеристика твердости материалов.Однако тщательный анализ этих работ показывает, что они всегда ограничиваются исследованиями вдавливания в макро- и микромасштабе, микро- и наномасштабе или макро- и наномасштабах [57]. Исследований, сравнивающих твердость материалов при вдавливании по трем шкалам, очень мало. Grabco et al. В [6] изучались кристаллы с различными типами связей (ионными, ионно-ковалентными, ковалентными, ковалентными с некоторой долей общей ван-дер-ваальсовой связи и металлическими связями) в виде монокристаллов и поликристаллов. Они использовали наноиндентирование индентором Берковича при нагрузках в диапазоне 0–0.2 Н, микроиндентирование алмазным индентором Виккерса в диапазоне 0,01–2 Н и макроиндентирование стальным шариком при нагрузках> 10 Н. Rester et al. исследовали твердость монокристаллов меди {111} с глубиной вдавливания от 250 до 250 мкм [58]. Они использовали инденторы с кубическими углами, установленные в трех различных устройствах для вдавливания: наноиндентор с нагрузками в диапазоне 0,5–10 мН, индентор микромасштаба с нагрузкой 300 мН и индентор макроуровня с нагрузками 10 и 100 Н. Исследования, сравнивающие вдавливание с различной геометрией в наномасштабе также немногочисленны.Rother et al. [59], Мин и др. [60], Сахарова и др. В [61] изучалось влияние геометрической формы инденторов Берковича, Виккерса, Кнупа и конических инденторов на твердость массивных металлов и композиционных материалов.

Отсутствие многомасштабных публикаций может быть связано с теми же трудностями, обнаруженными при попытке провести сравнение. Теория обычной пластичности устанавливает, что механические свойства материала не зависят от его длины. Таким образом, твердость отпечатка не должна зависеть от размера отпечатка [62, 63].Однако реальные материалы обычно далеки от идеализации [64].

Многомасштабная характеристика поликристаллических материалов

Если мы попытаемся определить твердость однородных материалов с размерами в несколько дециметров (относительно «бесконечный» материал по сравнению с размерами отпечатка на макромасштабе), мы, вероятно, не сможем это сделать. Измерьте различные значения твердости вдавливания, измеренные по трем шкалам. Однако разница появится, когда мы попытаемся вдавить поликристаллический материал с неоднородными зернами микромасштабного диаметра, как тот, который схематически показан на рис.14. В случае вдавливания в макромасштабе, такого как Виккерса, показанного на фиг. 14а, испытание создает отпечаток большого размера, который усредняет неоднородность образца, и получается среднее значение объемной твердости. В случае микромасштабного вдавливания, как в тесте микровиккерса на рис. 14b, будет измеряться средняя твердость, но также могут быть оценены вариации на небольших участках. Испытания на вдавливание в микромасштабе очень хороши для характеристики сегрегации и образования полос, для идентификации составляющих и для характеристики твердости / микроструктуры поверхности.На рис. 14c наноиндентирование (представленное треугольными выемками от индентора Берковича или кубического углового индентора) может давать изменения твердости и модуля упругости в различных зернах (A, B) или изменение механических свойств на границах зерен (наноиндентирование C). Выемки при испытаниях в наномасштабе хорошо подходят для анализа очень тонких материалов, таких как фольга или покрытия [65], или для измерения поверхности детали, небольших деталей или небольших участков [66], измерения отдельных микроструктур [67] или измерения поперечных сечений [ 68].Таким образом, макроиспытания показывают среднюю твердость материала, тогда как микро- и наноразмерные испытания показывают вариации в различных частях микроструктуры образца.

Рис. 14

Схема твердости при вдавливании поликристаллического материала на макроуровне a ; b микромасштаб; и c нанометров. Обратите внимание, что масштаб в на отличается, чтобы можно было визуализировать всю область с отступом

Влияние размера отпечатка на микро- и наноуровне

Индентор Виккерса разработан для получения геометрически схожих отпечатков, поэтому твердость не должна зависеть от приложенной нагрузки и размера вдавливания.Этот факт справедлив и для углублений на макроуровне. Однако для микромасштабных вдавливаний (нагрузки менее 100 гс ~ 0,98 Н) хорошо известно, что твердость уменьшается или, чаще, увеличивается с уменьшением приложенной нагрузки (рис. 15). Этот эффект известен как «эффект размера вдавливания» (ISE) [39, 69].

Рис.15

Принципиальная схема эффекта размера вдавливания (ISE)

В литературе можно найти множество объяснений этому явлению. {*} \) – характерная длина порядка микрон, которая зависит от свойств материала с вдавливанием и угла индентора, а H ₀ – твердость вдавливания при большой глубине вдавливания (например.{*} \)) [72]. Это соотношение использовалось многими авторами для объяснения ISE на микромасштабных вдавливаниях; однако это соотношение неверно в наномасштабе [71]. Когда глубина вдавливания h <100 нм, данные твердости наноиндентирования меньше, чем предсказывается формулой. (23). Обсуждались два основных фактора расхождения между этим уравнением и данными твердости наноиндентирования [71]:

1.
Модель, используемая для вывода уравнения.(23) справедливо только для «острых» инденторов, и влияние радиуса кончика индентора (обычно около 50 нм при наноиндентировании) не учитывалось.
2.
Модель уравнения. (23) предполагает, что все дислокации хранятся в полусфере с радиусом a , где a – это контактный радиус вдавливания. Такое предположение неверно для отпечатков на наноуровне.

Недавно Gouldstone et al. [73] и Pharr et al. [74] рассмотрели моделирование и экспериментальные данные, которые были разработаны в течение последних двух десятилетий для объяснения ISE в наномасштабе. Они объясняют, как есть качественное согласие исследователей, что ISE появляется, когда доминирующие масштабы длины деформации вдавливания приближаются к критическим масштабам микроструктурной длины расстояния между дислокациями. Однако они также показывают, что до сих пор нет количественного согласия о том, как прогнозировать ISE, несмотря на большой объем моделирования.

Влияние накипи на системы покрытия / подложки

Когда индентор проникает через поверхность пленки, нанесенной на подложку, механический отклик пленки будет зависеть от механических свойств подложки в соответствии с ее глубиной проникновения h и Толщина пленки т (рис. {2}}} $$

(26)

, где k – подгоночный параметр, а h _c – глубина контакта, определенная в соответствии с методом Оливера и Фарра (уравнение.14). Другие модели микро- и наноразмерных отпечатков также были рассмотрены Корсунским и др. [77], Фишер-Криппс [5] и Чен и др. [78].

Правило Бюкле о предельной глубине вдавливания 10% толщины пленки также широко применяется в случае вдавливаний на наномасштабе [79]. Однако правило действует не всегда. Гамонпилас и др. [80] исследовали влияние подложки на поведение наноиндентирования покрытых систем, используя комбинацию анализа размеров и анализа методом конечных элементов.Они обнаружили, что отношение критической глубины вдавливания к толщине покрытия, ниже которого материал подложки оказывает незначительное влияние на реакцию вдавливания покрытой системы, зависит от предела текучести σ _y и модуль Юнга E покрытия и подложки, то есть σ _yc/ σ _ys и E _c/ E _с.Они обнаружили, что правило Бюкле действительно только тогда, когда σ _yc/ σ _ys <10. Тем не менее, следует использовать максимальную глубину 5%, чтобы избежать какого-либо влияния со стороны подложки, когда σ _yc/ σ _ys> 10 и E _c/ E _с> 0.1. В недавнем обзоре Chen et al. [78] обсуждают, почему правило Бюкле недостаточно жесткое для твердых покрытий на очень мягкой подложке, и наоборот, правило слишком строгое для мягких покрытий на твердой подложке. Например, они показывают, как твердость очень мягкого покрытия (твердость <0,5 ГПа) на твердой подложке (твердость> 10 ГПа) не будет зависеть от деформации подложки, даже если проникновение индентора составляет более 50% пленки. толщина.